text:
Переводчик Ирина Евстигнеева
Научный редактор Михаил Гирфанов, канд. геол.−минерал. наук
Редактор Валентина Бологова
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта А. Тарасова
Корректоры Е. Рудницкая, Е. Сметанникова
Арт-директор Ю. Буга
Компьютерная верстка А. Фоминов
Иллюстрация на обложке Mineralogy lithographs from the Iconographic Encyclopaedia of Science, Literature, and Art, 1852
© Princeton University Press, 2018
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО "Альпина нон-фикшн", 2021
© Электронное издание. ООО "Альпина Диджитал", 2021
Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив "Траектория" (при финансовой поддержке Н. В. Каторжнова).
Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив "Траектория" (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд "Траектория" поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.
Благодарности
Я благодарна многим людям, внесшим вклад в эволюцию этой книги: моим коллегам Дэвиду Макглинну и Джеральду Подейру, редакторам издательства Принстонского университета Эрику Хенни и Лесли Грундфест и их помощникам Артуру Вернеку и Стефани Рохас, литературному редактору Барбаре Лигуори и художнику-иллюстратору Хейли Хагерман, чьи работы не подвластны времени. Также огромное спасибо моей семье: родителям Глории и Джиму, сыновьям Олафу, Финну и Карлу и моему избраннику Полу, с которым я счастлива делить свое земное время.
Пролог. Очарование вневременья
Для детей, живущих в северных широтах, мало что может сравниться с той радостью, которую доставляют так называемые "снежные дни", когда из-за сильных снегопадов отменяются занятия в школе. В отличие от праздников, удовольствие от которых несколько размывается неделями ожидания, "снежные дни" обрушивают на вас совершенно нежданное, а потому это абсолютно чистое и неразбавленное счастье. В 1970-е гг. мы, дети в сельских районах Висконсина, сидели перед включенными на полную громкость радиоприемниками и, затаив дыхание, слушали, как диктор мучительно долго в алфавитном порядке перечисляет государственные и частные школы в нашем округе. И вот наконец звучало название нашей школы - в тот же миг взрослый мир, втиснутый в рамки строгих расписаний, исчезал, будто повинуясь воле всесильной Природы, и время для нас останавливалось.
Перед нами простирался неимоверно долгий день во всем своем великолепии. Первым делом мы выбегали на улицу, чтобы исследовать изменившийся за ночь мир. Все вокруг было белым и безмолвным, лес за околицей менялся до неузнаваемости, а знакомые предметы превращались в смешные пушистые карикатуры на самих себя: на пнях и валунах лежали пышные пуховые подушки, а почтовые ящики надевали высокие белоснежные колпаки. Нам нравились эти героические разведывательные экспедиции в заснеженное царство, и еще больше нравилось возвращаться после них в уютное тепло дома.
Из всех "снежных дней" особенно ярко мне запомнился один: я училась в восьмом классе и была в том переходном возрасте, когда человек стоит на пороге между двумя мирами - детством и взрослостью. Ночью метель под аккомпанемент сильного ветра намела почти 30 см снега и ударил лютый мороз. Но, выглянув утром в окно, я увидела совершенно неподвижное ослепительно яркое снежное царство. Моих друзей-подростков в этот час больше интересовал сон, чем снег, но меня непреодолимо влекло исследовать преобразившийся мир. Закутавшись в шерстяные и пуховые одежды, я вышла на улицу. Ледяной воздух обжигал легкие. Деревья поскрипывали и постанывали на сильном морозе. Пробираясь вниз по склону к ручью, протекавшему мимо нашего дома, я заметила на ветке красный комочек: то был нахохлившийся самец кардинала, ярко алевший под холодными лучами зимнего солнца. Я подошла к дереву поближе, но птица будто меня не слышала. Присмотревшись, я с удивлением и грустью поняла, что она замерзла, продолжая сидеть на ветке как живая - подобно экспонату в музее естествознания. Время в лесу словно остановилось, давая мне возможность рассмотреть то, что обычно размыто быстрым движением.
Тем же вечером, беззаботно наслаждаясь сладким даром свободного времени, я сняла с полки массивный атлас мира и разложила его на полу. Меня всегда тянуло к географическим картам: хорошие карты подобны криптограммам, скрывающим в себе таинственные истории. В тот день атлас открылся на двухстраничной карте часовых поясов, где по верхнему полю были нарисованы крошечные циферблаты, показывающие относительное время в Чикаго, Каире, Бангкоке и других городах мира. Бо́льшая часть карты была расчерчена меридиональными полосами пастельных тонов, которые кое-где нарушались сложными контурами административно установленных временны́х зон, таких как Китай (где по всей стране правительство установило единый часовой пояс), и территорий с "собственными" часовыми поясами наподобие Ньюфаундленда, Непала и Центральной Австралии, где смещение времени относительно Гринвича составляет не целые часы, а часы с минутами. Некоторые территории, такие как Антарктида, Внешняя Монголия и арктический архипелаг Шпицберген, были раскрашены серым цветом, что, согласно сопровождавшей карту легенде, означало: "Нет официального времени". Меня завораживала мысль о том, что, оказывается, на планете остались места, которые упорно не дают сковать себя кандалами времени - никаких минут и часов, никакой тирании неумолимых календарей и расписаний. Что происходит там со временем? Оно заморожено, как та алая птичка-кардинал в зимнем лесу? Или же оно течет свободным, не делимым на части, не загоняемым в искусственные рамки потоком в соответствии с естественным ритмом дикой природы?
Спустя годы, когда я - по воле ли случая или по замыслу судьбы - оказалась на Шпицбергене, где завершала полевые исследования для своей докторской диссертации по геологии, я обнаружила, что этот полярный архипелаг в некотором роде действительно существует вне времени. Ледниковый период еще не ослабил здесь свою хватку. Артефакты человеческой истории совершенно разных эпох - кости китов, разбросанные вокруг салотопок добытчиками ворвани в XVII в., могилы русских охотников времен царствования Екатерины Великой, искореженный фюзеляж бомбардировщика люфтваффе - были рассеяны среди бесплодной тундры, как экспонаты на беспорядочно организованной выставке. Я также узнала, что на Шпицбергене "нет официального времени" из-за давнего спора между русскими и норвежцами по поводу того, к какому часовому поясу относится архипелаг - к поясу Москвы или Осло. Но в тот далекий "снежный день", восхитительно свободный от повседневных забот, когда, стоя на пороге взрослой жизни, я все еще могла наслаждаться уютом родительского дома, я думала о том, что, возможно, на нашей планете остались такие места, где время сохраняет свою неопределенную, аморфную сущность и где можно с легкостью путешествовать между прошлым и настоящим. Смутно предчувствуя неизбежность грядущих изменений и потерь, я страстно желала, чтобы этот идеальный день, погруженный в вечность вневременья, стал моим постоянным пристанищем, куда бы я всегда могла возвращаться из самых дальних путешествий и где бы всё даже после самых длительных моих отсутствий оставалось в неизменном виде. Так начались мои сложные отношения со временем.
Впервые я прибыла на Шпицберген летом 1984 г., будучи молодой аспиранткой, на борту исследовательского судна Норвежского полярного института. Начала полевого сезона нашей группе пришлось ждать до первых чисел июля, когда море достаточно очистилось ото льда, чтобы быть безопасным для навигации. Спустя три бесконечно долгих дня после отплытия от материковой Норвегии, на протяжении которых я мучилась от изнурительной морской болезни, мы наконец достигли юго-западного побережья острова Западный Шпицберген, где находится уникальный горный хребет - самое северное продолжение Аппалачско-Каледонского складчатого пояса, тектоническая история которого была темой моей диссертации. На мое счастье, море в тот день заметно штормило, поэтому капитан решил, что перевозить нашу небольшую группу на берег на резиновой лодке небезопасно, и предложил нам более быструю, сухую и приятную альтернативу - вертолет. Мы взлетели с палубы раскачивающегося судна - все наше снаряжение и запасы продовольствия висели под крошечным вертолетом в сетке, напоминавшей авоську с продуктами, - и направились на опасно низкой высоте в сторону берега. Вскоре вздымающиеся волны под нами сменились сушей с заплатами зеленоватой тундры, валунами и ручьями, но все они имели неопределенный размер и не позволяли составить представление о масштабе. Наконец я заметила внизу строение, похожее на старый деревянный ящик для фруктов. Эта была хижина, в которой нам предстояло прожить следующие два месяца (рис. 1).
Как только вертолет улетел, а корабль исчез за горизонтом, мы оказались отрезанными от мира конца XX в. Довольно уютная хижина, или, как говорят норвежцы, хитте, была построена находчивыми охотниками из выброшенных на берег коряг в начале 1900-х гг. Для защиты от белых медведей у нас имелись с собой старые однозарядные винтовки "маузер" времен Второй мировой войны. А единственным каналом коммуникации с внешним миром был заранее согласованный ежевечерний сеанс радиосвязи с исследовательским судном, которое все лето должно было медленно курсировать вокруг архипелага, проводя океанографические исследования. Мы не получали никаких новостей; после этого лета - как, впрочем, и после всех остальных полевых сезонов - я обнаруживала смущающие пробелы в своей осведомленности о событиях, произошедших в мире с июля по сентябрь ("Что?! Ричард Бертон умер?!").
Каждый раз, когда я приезжаю на Шпицберген, мое восприятие времени лишается привычных ориентиров, своего размеренного отсчета. Отчасти в этом виноват 24-часовой световой день (не подумайте, что там круглый день светит яркое солнце - погода может быть отвратительной), когда отсутствует зримый сигнал, что пора спать. Но, пожалуй, гораздо более важную роль играет самозабвенная, сосредоточенная погруженность в естественную историю этого сурового мира, несущего в себе так мало следов человеческого присутствия. Аналогично тому, как в тундре трудно судить о размере отдаленных объектов, здесь сложно оценить временной интервал, разделяющий те или иные события прошлого. Редкие остатки рукотворных человеческих артефактов - запутанная рыболовная сеть, сдувшийся метеозонд - кажутся более старыми и потрепанными, чем древние горы, полные величия и мощи. Во время долгих переходов, когда я возвращаюсь в лагерь, погруженная в свои мысли, и мой разум очищается шумом ветра и волн, мне порой кажется, будто я стою в центре круга, равноудаленном от всех этапов моей жизни, ее прошлых и будущих событий. То же самое я чувствую, глядя на окружающий ландшафт и горные породы. Погрузившись в их истории, я как будто вижу события прошлого, которые явственно всплывают в моем сознании. Но это впечатление - не промелькнувшее на мгновение ощущение вневременности, а рождающееся осознание Времени, острое понимание того, что мир не просто сотворен временем, но поистине создан из него.
Глава 1. Необходимость осознания Времени
Omnia mutantur, nihil interit (Все меняется, ничто не исчезает).
Краткая история отрицания времени
Будучи профессором геологии, я легко и непринужденно оперирую такими временны́ми категориями, как эры и эоны. Один из моих курсов называется "История Земли и жизни" и охватывает 4,5 млрд лет существования нашей планеты (я умещаю этот обзор в 10-недельный триместр). Но как человек, и особенно как дочь, мать и вдова, я, как и все остальные люди, с содроганием смотрю в лицо Времени - и, признаюсь, прибегаю к некоторому утешительному самообману.
Неприятие времени затуманивает человеческое мышление на личном и коллективном уровне. Пресловутая "проблема 2000 года", угрожавшая обрушить компьютерные системы, а вместе с ними и мировую экономику на рубеже тысячелетий, была вызвана недальновидными программистами, которые в 1960-е и 1970-е гг. не задумывались о том, что однажды наступит 2000 г. Вошедшие в последние годы в моду инъекции ботокса и пластическая хирургия рассматриваются как хороший способ подретушировать свою внешность и поднять самооценку, но, по сути, скрывают за собой совершенно иное: наше неприятие собственной временности и страх перед ней. Присущее людям естественное неприятие смерти усиливается нашей культурой, которая представляет Время как врага и всячески старается отрицать его неумолимое течение. Как сказал Вуди Аллен, "американцы верят, что смерть не является чем-то обязательным".
Такого рода отрицание времени, коренящееся в чисто человеческом сочетании тщеславия и экзистенциального страха, пожалуй, является самой распространенной и простительной формой того, что можно назвать хронофобией. Но существуют и другие, куда более опасные ее формы, которые, представая в безобидном обличии, порождают повсеместную - дремучую и опасную - временну́ю неграмотность в нашем обществе. Почему-то нас в XXI в. совершенно не шокирует и вполне устраивает общераспространенное незнание долгой истории нашей планеты, за исключением разве что самых основных ее моментов (да, взрослый образованный человек может показать на карте континенты, но попробуйте спросить его о Беринговом проливе, динозаврах или Пангее!). Подавляющее большинство людей, в том числе в богатых и технологически развитых странах, не имеют никакого представления о временны́х пропорциях - о продолжительности значимых эпизодов в истории Земли, скорости изменений в предыдущие периоды планетарной нестабильности, внутренних временны́х шкалах, присущих тем или иным формам "природного капитала", таким как системы подземных вод. Нам, человеческому виду, присущ поистине детский эгоцентризм - удивительное равнодушие к тому, что было на Земле до нашего появления, вплоть до неверия в то, что "до нас" вообще что-то было. Нас не трогает история прошлого, в которой нет человеческих персонажей, поэтому многие люди не интересуются естествознанием. В результате мы существуем словно бы вне времени и его законов. Как неопытные, но самонадеянные водители, мы мчимся со всей скоростью, вторгаясь в экосистемы и ландшафты без учета их давно устоявшейся организации, структуры и процессов, а потом удивляемся и негодуем, когда планета наказывает нас за нарушение естественных законов. На фоне такого вопиющего невежества в отношении планетарной истории называть себя современными, образованными людьми по меньшей мере смешно. Мы безрассудно несемся в будущее, опираясь на столь же примитивное понимание времени, как представления о мире в Средневековье, когда Земля считалась плоским диском, на окраинах которого живут зловещие драконы. Сегодня драконы отрицания времени все еще обитают в очень многих сферах нашего мировосприятия.
Драконы эти многочисленны и разнообразны, и, пожалуй, самый агрессивный из них, хотя и наиболее предсказуемый в своих вывертах, - так называемый младоземельный креационизм{1}. Как университетскому преподавателю мне регулярно приходится сталкиваться со студентами из семей евангельских христиан. Я вижу, как они прилагают отчаянные усилия, чтобы примирить свою веру с научным пониманием истории Земли, и искренне пытаюсь помочь им разрешить это мучительное внутреннее противоречие. Прежде всего я подчеркиваю, что моя цель не поставить под сомнение их личные убеждения, а научить их логике геологической науки (или лучше назвать это геологикой?) - методам и инструментам, которые позволяют нам не только изучать Землю в ее нынешнем состоянии, но и заглянуть в ее невероятно сложную и внушающую благоговейный трепет историю. Поначалу студенты бывают удовлетворены таким разделением научной методологии и религиозных верований. Но по мере того, как они учатся самостоятельно "читать" горные породы и ландшафты, эти два мировоззрения кажутся все более несовместимыми. В этом случае я прибегаю к аргументу, выдвинутому Декартом в его "Размышлениях о первой философии", согласно которому нет никакой возможности определить, является ли опыт Бытия, переживаемый человеком, реальным или же изощренной иллюзией, созданной злым демоном или богом[1].
Уже в начале вводного курса геологии человек начинает понимать, что горные породы обозначают не столько предметы, сколько действия - это зримые свидетельства процессов, таких как извержение вулканов, рост коралловых рифов, формирование горных поясов и т. д., которые протекали и продолжают протекать на протяжении очень длительных отрезков времени в разных точках земного шара. Мало-помалу за последние два с небольшим столетия эти отдельные истории, рассказанные породами, были сплетены в единую величественную сагу Земли - так называемую геохронологическую шкалу. Эта "карта" Глубокого времени представляет собой одно из величайших интеллектуальных достижений человечества, плод усердного труда бесчисленного числа стратиграфов, палеонтологов, геохимиков и геохронологов - представителей разных культур и вероисповеданий. Эта карта все еще находится в процессе разработки: постоянно добавляются новые детали, уточняются калибровки. При этом за 200 с лишним лет не было найдено ни одной древней породы или ископаемого остатка - "докембрийского кролика"[2], если воспользоваться известным выражением английского биолога Джона Холдейна, - возраст которых разрушил бы стройную логику геохронологической шкалы.
Таким образом, если человек признаёт достоверность результатов, основанных на научном методе исследований нескольких поколений геологов со всего мира (в том числе работающих на нефтяные компании), и при этом верит в Бога как Творца всего сущего, он стоит перед следующим выбором: поверить в то, что (1) Земля была сотворена миллиарды лет назад Всеблагим создателем, который предопределил каждый момент ее эпического, сложного прошлого, или же в то, что (2) Земля была создана всего несколько тысяч лет назад коварным Всевышним, который, следуя некоему злому умыслу, раскидал ложные доказательства древности нашей планеты буквально повсюду, куда ни бросишь взгляд, - от ископаемых остатков до кристаллов циркона (вероятно, чтобы намеренно ввести в заблуждение человеческую науку). Что из этих двух предположений является большей ересью? При всей деликатности и осторожности, с которыми следует вести подобные споры, нельзя не заметить, что по сравнению с древней, богатейшей, поистине грандиозной геологической историей Земли эти креационистские теории представляют собой крайнюю степень упрощенчества, неуважительного и даже оскорбительного по отношению к процессу Сотворения мира.
Хотя я и сочувствую людям, которые мучаются над подобными теологическими вопросами, я нетерпима к тем, кто намеренно распространяет затуманивающую мозги лженауку под эгидой подозрительно хорошо финансируемых религиозных организаций. Мы с коллегами с отчаянием смотрим на деятельность таких чудовищных учреждений, как Музей креационизма в Кентукки, и обескуражены тем количеством сайтов, посвященных младоземельному креационизму, которые появляются в результатах поиска, когда студенты ищут информацию, скажем, о радиоизотопном датировании. Всю хитроумность тактики и степень разветвленности щупальцев индустрии "научного креационизма" мне довелось в полной мере осознать, когда я сама стала ее жертвой. Некоторое время назад бывший студент предупредил меня, что одна из моих работ, опубликованная в научном журнале, который читают только самые заумные геофизики, была процитирована на сайте Института креационных исследований. Частота цитирования - один из критериев в научном мире, на основе которых составляются рейтинги ученых, и большинство моих коллег придерживаются мнения Ф. Барнума, что "плохой рекламы не бывает" - чем больше цитирований, тем лучше, даже если вашу идею оспаривают или опровергают. Но в моем случае цитирование было сродни тому, как если бы вас поддержал в соцсетях самый презренный тролль.
Моя статья была посвящена необычным метаморфическим породам в норвежских каледонидах, наличие высокоплотностных минералов в которых свидетельствует о том, что на момент формирования этого горного пояса они находились в земной коре на глубине не менее 50 км. Странность состоит в том, что эти породы встречаются в виде линзообразных обособлений, тонко переслаивающихся с горными массами, не претерпевшими аналогичного преобразования в более компактные минеральные формы. Мы с моей исследовательской группой показали, что подобный неоднородный метаморфизм мог быть вызван чрезвычайно сухим состоянием исходных пород, что препятствовало процессу перекристаллизации. Мы утверждали, что породы, сложенные минералами низкой плотности, могли в этих условиях некоторое время находиться в нестабильном состоянии на глубоких горизонтах коры, пока одно или несколько сильных землетрясений не привели к их растрескиванию и проникновению в них флюидов, что вызвало локальное проявление долго сдерживаемых метаморфических реакций. Опираясь на определенные теоретические ограничения, мы предположили, что в данном случае такой неоднородный локальный метаморфизм мог занять всего тысячи или десятки тысяч лет, а не сотни тысяч или миллионы лет, как в более типичных тектонических обстановках. Какой-то смекалистый "исследователь" из Института креационных исследований ухватился за это "доказательство быстрого метаморфизма" и интерпретировал его на свой лад, полностью проигнорировав тот факт, что возраст этих пород оценивается примерно в миллиард лет, а скандинавские каледониды были сформированы около 400 млн лет назад. Я была ошеломлена тем, что, оказывается, есть люди, у которых достаточно времени, образования и мотивации, чтобы перерывать груды научной литературы в поисках подобных открытий, и что кто-то, вероятно, неплохо платит им за эту работу. Судя по всему, в этой игре очень высокие ставки.
С моей стороны нет никакого прощения тем, кто сознательно вводит широкую общественность в заблуждение фальсификацией естественнонаучных знаний в сговоре с влиятельными религиозными синдикатами ради продвижения "учения", которое служит их корыстным финансовым или политическим интересам. Я бы хотела сказать этим людям в лицо: "Никакого вам ископаемого топлива, да и пластика тоже! Вся эта нефть была найдена благодаря строгим научным знаниям об образовании осадочных пород и геохронологии этих процессов. И никакой вам современной медицины, потому что подавляющее большинство фармацевтических, терапевтических и хирургических методов лечения были разработаны посредством тестирования на мышах, которых вы отказываетесь признавать нашими эволюционными родственниками! Вы вольны верить в любые мифы об истории нашей планеты, которые вам нравятся, но тогда уж извольте довольствоваться только теми технологиями, которые проистекают из вашего мировоззрения! И прекратите отуплять умы молодого поколения своим ретроградством!" (Уф, мне стало чуточку легче.)
Некоторые религиозные секты проповедуют симметричную форму отрицания времени, навязывая своим последователям веру не только в урезанное геологическое прошлое, но и в короткое будущее с неизбежно грядущим Апокалипсисом. Такая одержимость концом света может показаться безобидным заблуждением: одинокий человек с предостерегающим плакатом в руках давно стал расхожим карикатурным персонажем, а мы на своем веку спокойно пережили уже несколько таких дат. Но распространение апокалиптического мышления среди достаточно большого количества людей повлечет за собой серьезные последствия. Тем, кто верит в скорый конец света, нет смысла беспокоиться о таких проблемах, как изменение климата, истощение подземных вод или потеря биоразнообразия[3]. Зачем сохранять планету, если у нее и у нас нет будущего?
При всем моем негодовании по отношению к младоземельцам, староземельцам и адептам апокалипсиса всех мастей следует отдать им должное хотя бы в том, что они, по крайней мере, открыто признают свою хронофобию. Куда более распространены и разрушительны скрытые формы отрицания времени, встроенные в саму инфраструктуру нашего общества. Наша экономическая система ориентирована на постоянное увеличение производительности труда, в результате чего те области, где профессиональная деятельность просто требует времени - образование, уход за больными, культура и искусство, представляют собой проблему, поскольку в них невозможно добиться значительного повышения эффективности. В XXI в. исполнение струнного квартета Гайдна занимает столько же времени, сколько и в XVIII в., - никакого прогресса! Иногда это называют "болезнью Баумоля" по имени одного из экономистов, впервые описавшего эту дилемму[4]. То, что это считается "патологией", многое говорит о нашем отношении ко времени и об удручающе малой ценности, которую мы на Западе придаем самому процессу, развитию и совершенствованию.
Финансовые годы и короткие сроки полномочий конгрессменов также навязывают недальновидное отношение к будущему. Те, кто ориентируется на краткосрочные результаты, вознаграждаются бонусами и переизбранием, тогда как те, кто стремится мыслить в долгосрочной перспективе и брать на себя ответственность перед будущими поколениями, обычно оказываются в меньшинстве и в проигрыше. Мало какие государственные структуры имеют возможность составлять планы, выходящие за рамки двухлетнего бюджетного цикла. И даже двухлетняя перспектива сегодня, кажется, становится непозволительным временны́м горизонтом для Конгресса и законодательных собраний штатов, где урезание расходов в последнюю минуту в попытке закрыть бюджетные дыры все больше становится нормой. Институты, которые по определению требуют долгосрочного подхода, - национальные парки, публичные библиотеки, университеты - все чаще рассматриваются как бремя для налогоплательщиков (и вынуждены как можно шире привлекать корпоративное спонсорство).
Когда-то сохранение природных ресурсов - почвы, лесов, воды - для будущих поколений считалось патриотическим делом, свидетельством любви к своей стране. В последние годы концепция социальной ответственности (которая теперь распространяется и на корпорации) странным образом переплелась с потреблением и монетизацией. Потребитель стал фактически синонимом гражданина, но это, похоже, никого не волнует. Понятие "гражданин" подразумевает ответственность, неравнодушие, стремление "отдавать", приносить пользу. "Потребитель" нацелен только на то, чтобы "брать" - потреблять все вокруг, что попадает в его поле зрения, подобно ненасытной саранче. Мы можем насмехаться над апокалиптическим мировоззрением, но куда более распространенная, общепризнанная на официальном уровне идея - по сути, экономическое кредо нашего общества, согласно которой уровень потребления может и должен постоянно расти, также нелепа и очень опасна. Более того, в то время как потребность в долгосрочном мышлении становится все острее, мы, наоборот, сокращаем наш объем внимания и тем самым сужаем горизонты мышления, все больше мысля в рамках коротких СМС-сообщений и твитов в изолированном от времени, нарциссическом "здесь и сейчас".
На академическом сообществе также лежит часть ответственности за пусть и ненамеренное, но продвижение неявной формы отрицания времени через наделение привилегированным статусом определенных видов научных дисциплин. Физика и химия традиционно занимают верхнюю ступень в иерархии наук в силу их количественной точности. Но такая точность в описании природных механизмов возможна только в строго контролируемых, абсолютно неестественных условиях, оторванных от конкретной, реально существующей среды или исторического момента. Их название "чистые науки", по сути, означает, что они не загрязнены фактором времени, описывая универсальные, вневременные истины и вечные законы[5]. Подобно "идеям" вещей у Платона, эти универсальные законы зачастую считаются более реальными, чем любое конкретное их проявление (например, планета Земля). В отличие от этого, биология и геология занимают нижние ступени научной иерархии, считаясь "нечистыми" науками, которые всецело погружены в конкретную, временну́ю реальность и потому не могут предложить столь привлекательной для человеческого разума точности и универсальности. Конечно, законы физики и химии применимы и к горным породам, и к формам жизни, и существуют некоторые общие принципы функционирования биологических и геологических систем, но суть этих научных дисциплин в изучении уникального разнообразия организмов, минералов и ландшафтов, возникших за долгую историю в этом конкретном уголке космического пространства.
Биология как дисциплина занимает более почетное место благодаря своему молекулярному направлению с его "чистыми" лабораторными исследованиями и значимым вкладом в медицину. Но смиренная геология никогда не могла претендовать на престиж и славу других наук. У нас нет ни нобелевских лауреатов, ни программ углубленного изучения в старших классах школы, ни раскрученных в СМИ публичных фигур. Конечно, такое положение дел огорчает геологов, но гораздо больше нас беспокоят последствия такого игнорирования нашей науки в то время, когда политики, руководители корпораций и рядовые граждане как никогда нуждаются в адекватном понимании истории, анатомии и физиологии нашей планеты.
Во-первых, то, как мы воспринимаем ценность науки, напрямую отражается на уровне ее финансирования. Из-за сокращающихся бюджетов на гранты, которые выделяются на фундаментальные геологические исследования, некоторые находчивые геохимики и палеонтологи, занимающиеся изучением ранних этапов развития Земли и древнейших следов жизни в горных породах, переквалифицировались в "астробиологов", чтобы получить доступ к программам NASA, в рамках которых финансируются исследования по поиску жизни в Солнечной системе и за ее пределами. Меня глубоко удручает то, что нам, геологам, приходится прибегать к подобным маневрам, потому что мы не можем заинтересовать законодателей и общественность нашей собственной планетой.
Во-вторых, незнание и игнорирование геологии учеными из других областей влечет за собой серьезные экологические последствия. Значительные успехи в физике, химии и технических науках, достигнутые в годы холодной войны, - развитие ядерной энергетики; разработка новых видов пластмасс, пестицидов, удобрений и хладагентов; механизация сельского хозяйства; распространение автомобильного транспорта - положили начало эпохе беспрецедентного процветания, однако их обратной стороной стало загрязнение подземных вод, разрушение озонового слоя, деградация почв, потеря биоразнообразия и изменение климата. За все это придется расплачиваться будущим поколениям. Конечно, нельзя полностью возлагать всю вину на ученых и инженеров, стоящих за таким научно-техническим прогрессом: их научили подходить к природным системам подобным упрощенческим образом, применять универсальные законы и игнорировать конкретные детали, не углубляясь в то, как предлагаемые ими вмешательства могут повлиять на эти системы в долгосрочной перспективе. Кроме того, справедливости ради надо сказать, что до 1970-х гг. у самой геологической науки не было необходимых аналитических инструментов, чтобы смоделировать поведение сложных природных систем на десятилетних и столетних интервалах.
Как бы то ни было, к сегодняшнему дню мы должны были понять, что обращаться с нашей планетой как с простым, предсказуемым, пассивным объектом в контролируемом лабораторном эксперименте абсолютно недопустимо. Тем не менее та же самая слепая научная гордыня стоит за идеей геоинженерии (или климатической инженерией), которая все больше набирает популярность в некоторых академических и политических кругах. Зачем трудиться в поте лица над сокращением выбросов парниковых газов, утверждают сторонники геоинженерии, если можно охладить планету искусственным путем? Самый популярный обсуждаемый способ - распылять в стратосфере (верхнем слое земной атмосферы) отражающий сульфатный аэрозоль, чтобы сымитировать эффект крупных извержений вулканов, которые в прошлом вызывали на Земле периоды похолодания. Они ссылаются на извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г., которое на два года затормозило устойчивый рост глобальной температуры. Главными сторонниками подобных манипуляций с нашей планетой, что неудивительно, выступают физики и экономисты, которые утверждают, что подобные проекты - самые дешевые, эффективные и технологически осуществимые, и продвигают их под безобидным бюрократическим названием "управление солнечным излучением"[6].
Однако большинство представителей геологических наук с глубоким скептицизмом относятся к таким проектам, хорошо осознавая, что даже самые незначительные вмешательства в сложные природные системы могут привести к катастрофическим, порой абсолютно непредсказуемым последствиям. Чтобы затормозить глобальное потепление, потребуется распыление колоссальных объемов сульфатных аэрозолей, эквивалентных извержению Пинатубо, каждые несколько лет на протяжении не меньше чем целого столетия, причем прекращение таких инъекций без значительного снижения концентрации парниковых газов в атмосфере приведет к резкому скачку глобальной температуры, который может находиться за пределами адаптивной способности большей части биосферы. Кроме того, эффективность инъекций со временем будет снижаться, поскольку с увеличением концентрации сульфатов в стратосфере крошечные частицы будут слипаться в более крупные, с меньшей отражающей способностью и более коротким временем нахождения в атмосфере. Что еще важнее, даже если нам удастся таким образом добиться общего снижения глобальной температуры, невозможно предсказать, как это отразится на региональных и локальных погодных системах. (Не говоря уже о том, что на данный момент у нас нет никакого международного механизма, чтобы регулировать и контролировать подобные манипуляции с атмосферой, осуществляемые в планетарном масштабе.)
Не пришла ли пора представителям всех областей науки задуматься о том, чтобы перенять у геологии уважительное отношение ко времени и его уникальной способности трансформировать, разрушать, обновлять, усиливать, размывать, распространять, сплетать, созидать и уничтожать? Постижение глубокого времени может оказаться величайшим даром человечеству со стороны геологии. Подобно тому как микроскоп и телескоп открыли нашему взгляду недоступные для него ранее микроскопический и космический миры, геология предлагает нам линзу для восприятия времени, выходящего далеко за пределы нашего человеческого опыта.
Но, несмотря на все мои дифирамбы, на геологии тоже лежит доля вины за формирование у общества подобных заблуждений по поводу времени. С момента зарождения этой научной дисциплины в начале 1800-х гг. геологи - в том числе чтобы дистанцироваться от младоземельцев - занудно твердили о невероятно медленных темпах геологических процессов и о том, что геологические изменения происходят только на непостижимо огромных временны́х интервалах. С другой стороны, авторы учебников по геологии неизменно предлагают представить всю 4,5-миллиардную историю Земли как 24-часовой день, и тогда получается, что человечество появилось всего за секунду до полуночи. Однако эта метафора создает искаженное и даже безответственное представление о нашем месте во Времени. Во-первых, она отводит человечеству незначительную и пассивную роль, что не только вызывает неприятие с психологической точки зрения, но и позволяет нам игнорировать масштаб нашего воздействия на планету за эту "долю секунды". Во-вторых, она отрицает наши глубокие корни, тесно переплетенные с историей Земли: даже если наш конкретный вид появился за секунду до полуночи, первые представители нашей огромной семьи живых организмов появились на планете уже в 6 часов утра. В-третьих, эта метафора, как и апокалиптический сценарий, подразумевает отсутствие будущего - что происходит после полуночи?
Вопрос времени
Хотя мы, люди, возможно, никогда полностью не перестанем беспокоиться по поводу времени и не научимся его любить (если перефразировать название фильма о докторе Стрейнджлаве{2}), мы вполне можем найти некую золотую середину между хронофобией и хронофилией и выработать привычку осознания Времени - ясный взгляд на наше место во Времени, как в отношении прошлого, которое наступило задолго до нас, так и в отношении будущего, которое пролетит уже без нас.
Осознание Времени предполагает понимание удаленности и близости событий в "географии" глубокого времени. Фокусироваться только на возрасте Земли - все равно что описывать симфонию по общему количеству тактов. Без фактора времени симфония - просто нагромождение звуков; длительность нот и развертывание музыкальных тем во времени - вот что придает ей форму и содержание. Точно так же величие истории Земли заключается в постепенном развертывании, переплетении мелодий и ритмов многочисленных процессов, в которые порой вторгаются короткие стремительные мотивы, наслаивающиеся обертонами на сложную симфоническую композицию истории планеты. Сегодня мы знаем, что далеко не все геологические процессы протекают ларгиссимо (в самом медленном темпе), как считалось когда-то: горы растут со скоростью, которую теперь вполне можно измерить в режиме реального времени, а ускорение темпов изменения климатической системы удивляет даже тех, кто изучал ее всего лишь в течение нескольких десятилетий.
Тем не менее меня успокаивает мысль о том, что мы живем на очень старой, испытанной временем, стабильной планете, а не на молодом, незрелом и ненадежном астрономическом теле. Мое существование как землянина невероятно обогащается осознанием древней истории Земли со всем многообразием протекавших на ней процессов и населявших ее обитателей. Понимание причин морфологии того или иного ландшафта аналогично озарению, которое испытывает человек, узнавая этимологию привычного слова. Перед вами словно открывается окно, позволяющее заглянуть в далекое, но узнаваемое прошлое - будто вы вспоминаете что-то давно забытое. Это наделяет мир магической многослойностью и глубиной, фундаментально меняя то, как мы воспринимаем наше место в нем. И хотя присущее людям стремление отрицать время в силу человеческого тщеславия, экзистенциальной тревоги или интеллектуального снобизма в какой-то мере понятно и простительно, мы принижаем сами себя, отказываясь признавать нашу связь со Временем. Насколько бы притягательным ни было обманчивое очарование вневременности, в осознании временно́й сущности нашего бытия кроется куда более таинственная и глубокая красота.
Забежим немного вперед
Я написала эту книгу в убеждении, возможно наивном, что, если как можно больше людей поймут, что мы как земляне связаны общей историей и общей судьбой, они станут гораздо лучше относиться друг к другу и к нашей планете. Сегодня, когда мир как никогда прежде глубоко расколот религиозными и политическими распрями, кажется, остается все меньше надежды найти некое объединяющее начало, которое позволит собрать за одним столом представителей всех разрозненных групп и начать открытый конструктивный диалог по поиску путей разрешения серьезных экологических, социальных и экономических проблем современного мира, которые имеют тенденцию все более усложняться.
Итак, я написала эту книгу в надежде на то, что осознание общего геологического наследия может побудить нас переосмыслить наши подходы к этим проблемам и мировоззрение в целом. На самом деле ученые-естествоиспытатели уже выступают своего рода импровизированным международным дипломатическим корпусом, наглядно демонстрируя на своем примере, что представители самых разных сообществ - экономически развитых и развивающихся стран, социалистических и капиталистических систем, теократий и демократий - могут сотрудничать, спорить, урегулировать разногласия и достигать консенсуса, объединенные пониманием того, что все мы являемся гражданами одной планеты, чьи тектонические, гидрологические и атмосферные системы не имеют национальных границ. Возможно, именно Земля с ее немыслимо древней историей может обеспечить нам тот самый искомый политически нейтральный нарратив, к которому будут готовы прислушиваться все правительства и народы.
В следующих главах я постаралась передать понимание времени и планетарной эволюции, которое пронизывает геологическое мышление и способствует изменению сознания. Охватить разумом всю необъятность геологического времени почти невозможно, но по крайней мере вы получите представление о его пропорциях. Когда я училась в университете, у нас был профессор математики, который любил говорить студентам: "У бесконечности много разных форм и размеров". Подобное можно сказать и о геологическом времени, которое, хотя и не является бесконечным де-факто, представляется таковым с человеческой точки зрения. У океана Времени разная глубина - от мелководья последней ледниковой эпохи до бездны архея (архейского эона). В главе 2 я расскажу о том, как геологи составляли карту океана Времени - сначала посредством качественного метода на основе ископаемых остатков древних организмов, затем с использованием все более точных количественных методов, основанных на явлении естественной радиоактивности. (Это самый сложный материал в книге; если геохимия изотопов не ваш конек, можете пропустить подробности и читать дальше без чувства вины или опасения, что вы упустили нечто важное.) Геологическая шкала времени - одно из самых недооцененных интеллектуальных достижений, которое является плодом совместного труда огромного количества ученых, и работа над ней продолжается по сей день. Упрощенная версия геохронологической шкалы приведена в приложении I.
В главе 3 мы поговорим о внутренних ритмах земной коры - о темпах тектонической эволюции и эволюции ландшафтов, а также о том, как геология лишает нас иллюзии постоянства привычного для нас рельефа местности. Геологические процессы могут протекать очень медленно, но не настолько, чтобы быть недоступными для человеческого восприятия. Одно из наиболее важных открытий, проистекающих из "хронометрирования Земли", состоит в том, что темпы, казалось бы, не связанных между собой природных процессов - от образования гор и эрозии до эволюционной адаптации, каждый из которых приводится в действие разными движущими силами, замечательным образом согласуются друг с другом. Продолжительность, скорость и интервалы повторяемости различных геологических явлений сведены в несколько таблиц, представленных в приложении II.
Глава 4 посвящена эволюции атмосферы и темпам изменения ее состава во времена экологических потрясений и массовых вымираний в геологической истории. Вы увидите общую закономерность: в прошлом длительные периоды планетарной стабильности резко заканчивались, а скорость изменения окружающей среды при этом превышала адаптационную способность биосферы (и только в одном случае в таком развитии событий был повинен метеорит). В приложении III сравниваются причины и последствия восьми величайших экологических кризисов в истории Земли, включая изменения, которые происходят в настоящее время.
Глава 5 начинается с открытия ледниковой эпохи (плейстоцена) в XIX в. и объясняет, как это открытие постепенно привело к пониманию того, что сегодня климат претерпевает серьезные изменения. Для плейстоцена был характерен не просто постоянный холод, а значительная изменчивость климата на протяжении более 2 млн лет. После этого примерно 10 000 лет назад начался климатически устойчивый голоцен, который создал условия для появления современной человеческой цивилизации. Знание этого отрезвляет, особенно в свете нынешних темпов изменения окружающей среды, практически беспрецедентных в геологической истории и дающих некоторым ученым основания утверждать, что сегодня мы вступили в новую геологическую эпоху - антропоцен.
В последней главе мы заглянем в геологическое будущее и обсудим идеи, как можно создать более просвещенное и здравомыслящее - с точки зрения осознания времени - общество, способное принимать решения с временны́м горизонтом, рассчитанным на многие поколения вперед. Для этого требуется всего лишь изменить свой взгляд на мир. Для многих жителей Северной Америки полное солнечное затмение в 2017 г. стало событием, перевернувшим их мировосприятие, на короткий миг продемонстрировав наше истинное место в космосе. Точно так же геологическое наблюдение дает нам возможность заглянуть в таинственный и труднопостижимый мир Времени, в котором мы живем, но который обычно не можем увидеть. Даже мимолетный взгляд способен навсегда изменить наш опыт жизни на Земле.
Глава 2. Атлас Времени
Хотя мы только кратковременные жильцы на поверхности этой планеты, прикованные к одной точке в пространстве, существующие одно мгновение во времени, но ум человеческий в состоянии не только исчислить миры, рассеянные за пределами нашего слабого зрения, но даже проследить события бесчисленных веков, предшествовавших созданию человека.
Мыслить как геолог
Как и многие мои коллеги, геологом я стала почти случайно. В отличие от физики, химии или биологии, геология в большинстве школьных программ в США считается второстепенным предметом или же вовсе не преподается, поэтому мало кто из поступивших в университет студентов знает, что это - зрелая научная дисциплина со своей динамичной интеллектуальной культурой. Лично я мечтала заниматься гуманитарными науками и записалась на вводный курс геологии только ради того, чтобы набрать нужные баллы. Вряд ли в этом курсе "для любителей камней" будет что-то интересное, думала я, но, по крайней мере, в его программе есть еженедельные выездные занятия - хорошая возможность выбраться на природу. К своему удивлению, вскоре я обнаружила, что геология требует уникального целостного мышления, с которым я нигде больше не сталкивалась. Чтобы исследовать своенравные вулканы, океаны и ледники, необходимы познания в области физики и химии и умение творчески их применять. Для изучения горных пород нужны прикладные навыки, которые обычно ассоциируются с изучением литературы и искусства, такие как навык вдумчивого, аналитического чтения, умение чутко улавливать аллюзии и аналогии, способность к пространственной визуализации. Специфическая форма логики выведения заключений требует разносторонности и гибкости мышления вкупе с живым, но дисциплинированным воображением. Объяснительная сила этой науки колоссальна - ведь, в конце концов, она объясняет происхождение самого мира! Я была покорена.
Хорошая метафора, позволяющая наглядно описать, как геологи воспринимают породы и рельефы, - это палимпсест. Так средневековые ученые называли рукописи, написанные на уже использованном пергаменте поверх старого текста, который соскабливался или смывался. Поскольку полностью стереть предыдущий текст не удавалось, его следы сохранялись под более поздним. Сегодня с помощью рентгеновского облучения и новейших оптических методов ученые могут прочитать нижние слои палимпсестов, которые иногда оказываются единственными источниками бесценных древних рукописей (например, некоторых из наиболее значимых сочинений Архимеда). Аналогичным образом поверхность Земли подобна гигантскому многослойному палимпсесту, где элементы ландшафта и слагающие их толщи пород таят в себе следы предыдущих эпох. Задача геологической науки - расшифровать все слои этого палимпсеста, чтобы прочитать невероятно сложную летопись земной истории. Другими словами, мыслить как геолог - значит видеть не только то, что лежит на поверхности, но и то, что скрыто под ней, что было в прошлом и что будет в будущем.
Есть и другие дисциплины, в том числе космология, астрофизика и эволюционная биология, которые имеют дело с глубоким временем (вспомним метафору Джона Макфи о продолжительности доисторического, доархеологического прошлого{3}[7], но уникальность геологии в том, что она имеет непосредственный доступ к материальным объектам, которые были свидетелями этих времен. Геологию интересует не столько природа времени как таковая, сколько его непревзойденная трансформационная сила. Находя следы все более древних версий нашего мира, геологи первыми из всех интуитивно почувствовали всю необъятность планетарного времени, хотя измерить его смогли только в XX в.
Как Земля постарела, а потом сильно помолодела
По сравнению со многими другими науками геология пережила поздний расцвет. Астрономы объяснили движение планет еще в XVII в.; физики открыли законы термодинамики и электромагнетизма в XIX в., а в начале XX столетия описали строение и свойства атомов. Удивительно, но к тому времени люди еще не знали ни о возрасте Земли, ни о процессах, протекающих в планетарных масштабах. Причина была не в бездарности геологов; просто Земля оказалась невероятно сложным предметом для изучения - одновременно слишком близким и далеким, слишком изменчивым в прошлом и, казалось, почти не меняющимся в настоящем. Тогда как другие науки делали большие успехи в описании и изучении природы с помощью телескопов, микроскопов и различных пробирок и мензурок, к Земле все эти методы научного исследования были неприменимы, не говоря уже о проведении лабораторных экспериментов. Кроме того, изучение Земли всегда было тесно переплетено с нашим восприятием себя как человеческого рода и дорогим нашему сердцу нарративом о месте человека среди других творений природы. Неудивительно, что нам было трудно сделать шаг назад и посмотреть на все объективным, незамутненным взглядом.
Геология гораздо больше, чем любая другая наука, требует дерзкого воображения и готовности к смелым логическим умозаключениям. Возьмем такую фундаментальную проблему, как определение возраста Земли. В XVIII в. большинство людей в Западном мире верили, что Земля появилась всего 6000 лет назад, как это следует из Библии (в 1654 г. архиепископ Ирландской церкви Джеймс Ашер с поразительной точностью рассчитал дату сотворения мира - воскресенье, 23 октября 4004 г. до Рождества Христова). Когда я спрашиваю у студентов сейчас, в XXI в., как бы они сами подошли к ответу на этот вопрос (если оставить в стороне их религиозные убеждения и забыть про известную им цифру в 4,5 млрд лет), обычно они отвечают что-то вроде: "Ну, нужно найти самые старые породы и выяснить их возраст", но затем сами понимают, что ответ неверный. Как узнать, что эти породы и есть самые старые, и как определить их возраст? Подступиться к этой задаче кажется невозможным без опоры на всю систему знаний, накопленных современной геологией. Тем более удивительным представляется концептуальный скачок в понимании огромной глубины геологического времени, совершенный в 1789 г. шотландским медиком, фермером-новатором, философом и естествоиспытателем Джеймсом Геттоном (Хаттоном) на основании наблюдений, сделанных на морском побережье у местечка Данбар[8].
Однажды, проплывая на лодке мимо скалистого мыса Сиккар-Пойнт, Геттон обратил внимание на утес, который был сложен двумя совершенно разными толщами осадочных пород, разделенными отчетливо выраженной поверхностью перерыва: нижняя часть обнажения была образована более темными, почти вертикальными слоями, а верхняя часть - более светлыми, залегающими, как обычно, почти горизонтально (рис. 2). Многие до него проплывали мимо этого мыса, но думали только о том, чтобы порывистый ветер и штормовые волны не разбили их лодку об эти прибрежные камни. Геттон же увидел в утесе не просто опасность, а наглядное свидетельство некогда протекавших здесь геологических процессов. Проанализировав это и другие свои наблюдения, он сделал два поразительно глубоких вывода. Во-первых, нижележащие вертикально напластованные породы представляли собой фрагмент некогда существовавшего горного хребта, морские слои которого были наклонены в результате поднятия земной коры. Во-вторых, срезающая их поверхность отвечала длительному периоду эрозии, во время которого горное сооружение было разрушено, а поверх его реликтов накопились перекрывающие их горизонтально залегающие толщи осадочных пород.
Опираясь на свои оценки скорости эрозии, Геттон утверждал, что образование такого разрыва в напластовании - сегодня известного как угловое несогласие - требует непостижимо длительного интервала времени, почти бесконечного по сравнению с библейским возрастом Земли. Своими простыми, но революционными расчетами Геттон опроверг общепринятое убеждение, что в прошлом наш мир был совершенно другим и что теперь на смену бурному, нестабильному прошлому с его катаклизмами наподобие Всемирного потопа пришло стабильное настоящее. Если исходить из того, что возраст Земли составлял всего несколько тысяч лет, существование глубоких эрозионных долин и мощных толщ осадочных пород действительно можно было объяснить только крупномасштабными катастрофическими событиями. Геттон заменил это мировоззрение основополагающим принципом геологии - униформизмом, основанным на предположении, согласно которому геологические факторы неизменны во времени и, следовательно, геологические процессы в настоящее время протекают так же, как и в далеком прошлом Земли{4}.
Но геологическое воображение Геттона пошло еще дальше. В своем трактате "Теория Земли" (Theory of the Earth), написанном в 1788 г., он сделал даже более дерзкий обобщающий вывод: что этот конкретный пример несогласия напластований был результатом всего лишь одной итерации в бесконечной череде циклов накопления, поднятия, эрозии и нового осаждения осадочных пород на Земле, уходившей в туманную глубь времен. Гениальная догадка Геттона о глубоком времени, радикально изменившая представления людей о прошлом Земли, открыла двери для интеллектуального поиска, приведшего к появлению современной геологии и биологии. Без Геттона и его последователя Чарльза Лайеля, который поколение спустя возвел униформизм в ранг естественнонаучной доктрины в своем внушительном, риторически виртуозном труде "Принципы геологии" (Principles of Geology), Чарльз Дарвин, возможно, не пришел бы к пониманию времени как силы, способной формировать живые организмы путем естественного отбора. (Дарвин взял с собой первый том "Принципов геологии" на борт "Бигля" и изучал его в ходе пятилетней кругосветной экспедиции, поэтому пламенное учение Лайеля о древности Земли, несомненно, повлияло на взгляды британского натуралиста.) Но при всей своей притягательности предложенное Геттоном видение мира как бесконечно повторяющейся петли было в некотором роде химерой, абстракцией, говорившей, по сути, о ненужности тяжелой и кропотливой работы по реконструкции конкретных деталей планетарной биографии. В греческом языке существует полезное различие между двумя понятиями времени: хроносом как хронологической последовательностью, измеримым временем, и кайросом - "подлинным временем", исполненным содержания и смысла, которое проявляется только в нарративе. Геттон дал нам начальное представление о планетарном хроносе, но его калибровка, наполнение кайросом, потребовало титанического труда геологов на протяжении следующих двух столетий.
Ранние попытки преобразовать геологические данные в летопись истории Земли были основаны на предположении о том, что определенные виды пород формировались на всей планете в строго определенные периоды времени. Кристаллические породы, такие как граниты и гнейсы, считались исходными, или "первичными", а слоистые, вроде известняков и песчаников, - "вторичными". Песчаные и гравийные отложения средней связности относили к "третичным", а рыхлые, несцементированные осадки - к "четвертичным" (термин "третичный" продержался до конца XX в., а "четвертичный" сохраняется, хотя и в отличном от изначального смысле, и в современной геохронологической шкале). Однако в то время отсутствовала возможность определить, действительно ли возраст этих разновидностей пород был одинаков в планетарном масштабе.
В начале 1800-х гг. были сделаны первые предварительные калибровки шкалы глубокого времени благодаря проницательности английского строителя каналов Уильяма Смита, который заметил, что при земляных работах в одних и тех же слоях осадочных пород обнаруживаются одинаковые виды ископаемых органических остатков - раковин - и что последовательность этих слоев одинакова по всей Англии (рис. 3). Эти руководящие ископаемые, оказавшиеся такими же характерными для определенных геологических периодов, как дамские шляпки с вуалью или брюки-клеш для культурных эпох, дали возможность проследить лишенные пространственной непрерывности слои сначала на территории Великобритании, а затем и на территории Франции - по другую сторону Ла-Манша. Палеонтологи-любители, такие как знаменитая собирательница окаменелостей Мэри Эннинг из Лайм-Риджис, увековеченная в английской скороговорке She sells sea shells ("Она продает ракушки"), внесли неоценимый вклад на ранних этапах формирования геохронологической шкалы. Первоначальные представления, что слои осадочных пород носят глобальный характер и были образованы в результате одинаковых событий по всему земному шару, пришлось отвернуть: долгая история планеты оказалась гораздо сложнее, чем представлял себе Геттон. Однако десятилетия кропотливого труда по составлению карт и сбору, классификации, каталогизации и систематизации данных в конечном итоге привели к установлению глобальной корреляции разрезов осадочных пород в масштабах всей планеты.
Результатом этой работы стала известная нам сегодня геохронологическая шкала, которая, если двигаться в обратной последовательности, от сегодняшнего дня в глубь времен, включает современную кайнозойскую эру, называемую веком млекопитающих, затем мезозойскую эру с ее грозными рептилиями, палеозойскую эру с ее мрачными каменноугольными болотами, тяжело пыхтящими двоякодышащими рыбами и несметными полчищами трилобитов. Изобилие ископаемых форм жизни дало возможность подразделить каждую из вышеуказанных эр на периоды, периоды на эпохи, эпохи на века. Но дальше ученые наткнулись на, казалось бы, неразрешимую загадку, над которой ломал голову и Чарльз Дарвин: под толщей палеозоя, под самым нижним ракушечным слоем кембрийского периода, породы вдруг стали немыми: в них не было обнаружено никаких ископаемых остатков. Складывалось впечатление, будто жизнь в кембрии появилась внезапно, буквально ниоткуда. В отсутствие окаменелостей, которые служили единственным ориентиром для демаркации геологического времени, геологи Викторианской эпохи попросту не располагали нужными инструментами, чтобы прочитать зашифрованные письмена самых древних пород, поэтому всю эту часть земной истории они объединили под общим названием "докембрий". Прошло столетие, прежде чем геологи нашли доказательства того, что докембрийская Земля кишела жизнью и что докембрий составляет почти 90 % всей истории Земли.
Вторая половина XIX в. была, как я думаю, сродни "темным векам" для геологии.
После предложенного Геттоном трансцендентального видения самообновляющейся Земли, вдохновляющего трактата Лайеля о том, как геология позволит "проследить события в бесконечную глубь времен", и гениального дарвиновского синтеза биологических и геологических наблюдений в виде эволюционной теории внутренние и внешние силы будто намеренно сговорились, чтобы замедлить развитие научной мысли. В роли одной из таких сил выступил энергичный британский физик, корифей термодинамики, Уильям Томсон (1824-1907), больше известный как лорд Кельвин, который заинтересовался геохронологией вскоре после публикации труда Дарвина "Происхождение видов" в 1859 г. Он справедливо раскритиковал идею Геттона о бесконечно древней Земле, которая представляла планету своего рода вечным двигателем, грубо нарушая второй закон термодинамики. Однако та яростная атака, которой он подверг Дарвина за его бесхитростную оценку минимального возраста Земли в первом издании "Происхождения видов", свидетельствовала о том, что великим физиком двигали не совсем научные мотивы.
Не зная истинных механизмов наследственности, Дарвин тем не менее пришел к верному заключению, что эволюция путем естественного отбора должна была занять от сотен миллионов до миллиардов лет, чтобы произвести все наблюдаемое разнообразие живых и ископаемых форм жизни. Его интуитивная догадка о величине геологического времени была поистине гениальной, однако ее достоверность была подорвана включением в тщательно продуманный во всех остальных отношениях научный труд единственной ошибочной попытки количественного расчета. Как и Геттон, Дарвин использовал для измерения прошедшего времени скорость эрозии. Значительно недооценив рельефообразующую способность английских рек, он предположил, что образование долины в районе Уилд заняло порядка 300 млн лет (теперь мы знаем, что эта оценка была завышена по меньшей мере в 100 раз). Поскольку породы, слагающие склоны долины, были еще старше, но в то же время являлись одними из самых молодых в этом регионе, Дарвин предположил, что возраст самой Земли может составлять тысячу миллионов (миллиард) лет и даже больше. Его вывод был на удивление близок к истине, однако в своих расчетах он неосторожно взял за основу один-единственный неверный аргумент, который можно было легко опровергнуть.
С 1864 по 1897 г. Кельвин опубликовал ряд работ, в которых, опираясь на новейшие физические знания, а именно на предположения о скорости кондуктивного охлаждения планеты и продолжительности существования Солнца, приводил уточненные расчеты максимально возможного возраста Земли. Его первоначальная оценка составляла несколько сотен миллионов лет, но в итоге уменьшилась всего до каких-то 20 млн. Разочарованные тем, что Кельвин отводил геологической истории планеты все меньше и меньше времени, некоторые геологи предприняли попытку провести независимые оценки, суммировав толщину всех известных слоев, начиная с кембрийского периода до настоящего времени, и затем разделив эту цифру на предполагаемую скорость накопления осадков. При таком подходе возраст Земли мог быть от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов лет, однако неизбежные при таких расчетах неопределенности позволяли легко опровергнуть эти результаты. Среди молодых физиков некоторые также высказывали сомнения по поводу фундаментальных предположений, лежавших в основе расчетов Кельвина, - ошибочность которых будет доказана десятилетия спустя, - но им не хватило смелости навлечь на себя гнев общепризнанного корифея науки. Еще один оригинальный подход был предложен химиком Джоном Джоли (позже изобретшим цветную фотографию), который решил измерить возраст Земли по концентрации натрия в морской воде. Согласно его гипотезе (также ошибочной), реки постоянно вымывают из горных пород на суше растворяемые элементы и приносят их в морские водоемы, в результате чего вода в океанах со временем становится все более соленой. Используя средние значения содержания натрия в речной воде, Джоли оценил возраст Земли в 100 млн лет, тем самым отвоевав часть позиций, которые геологи уступили лорду Кельвину[9].
В последующие годы Дарвин называл Кельвина своей "самой большой неприятностью". Он умер в 1882 г., терзаясь мучительными сомнениями по поводу труда всей своей жизни: его эволюционная теория была несовместима с предполагаемым возрастом планеты. В XX в. физика опровергла аргументы его противника, но истинные мотивы лорда Кельвина становятся очевидны из речи, произнесенной им по случаю избрания на пост президента Британской ассоциации содействия развитию науки: "Я всегда считал, что гипотеза естественного отбора не содержит истинной теории эволюции, если эта эволюция в биологии вообще имела место... Повсюду мы видим убедительнейшие доказательства разумного и благого замысла... и осознаем, что все живое зависит от единого неустанно трудящегося Творца и Правителя"[10].
Чаепитие с Дарвином
Вопрос о продолжительности геологического времени волновал Дарвина, возможно, больше, чем любого другого человека в истории, и всякий раз, когда я думаю о его интеллектуальных мучениях в последние десятилетия жизни, то испытываю к нему глубокое сочувствие. Поэтому к 200-летнему юбилею Дарвина я организовала в библиотеке нашего университета публичные чтения: десятки преподавателей, сотрудников и студентов по очереди зачитывали вслух 20-минутные отрывки из "Происхождения видов", которые каждый час перемежались короткими дискуссиями.
Обстановка прекрасно соответствовала мероприятию: в обшитом деревянными панелями зале редких книг мы угощали собравшихся традиционным британским чаем и булочками-сконами с джемом, а несколько чтецов даже пришли в костюмах Викторианской эпохи. Я не ожидала, что этот интеллектуальный марафон может оказаться таким волнующим опытом и вызвать у меня столько эмоций. Слова Дарвина, звучавшие на протяжении всего дня, и атмосфера в целом производили ошеломляющий эффект. В словах, произносимых мужчинами и женщинами, учеными и музыкантами, философами и экономистами, представителями молодого и старшего поколения, можно было услышать живой человеческий голос самого Дарвина - его восхищение мельчайшими деталями мира природы, его скрупулезную основательность как ученого (несколько слушателей даже заснули во время чтения длинных разделов, посвященных селекции голубей), его нежелание брать на себя роль революционера и, самое трогательное, одолевавшие его сомнения и робость вкупе с попыткой заранее защитить себя от неизбежных нападок оппонентов. "Происхождение видов" - это смиренное, великолепно аргументированное, методичное (и зачастую довольно утомительное) изложение поистине революционной идеи, которая, как предвидел сам Дарвин, подвергнется самой яростной критике. Чего он, похоже, не предугадал, так это того, что одним из главных предметов нападок станет вопрос о геологическом времени. В 9-й главе он смело написал: "Тот, кто, прочтя великое произведение сэра Чарльза Лайеля "Принципы геологии", которое будущий историк признает как совершившее революцию в естественных науках, все же не захочет допустить всю громадность истекших периодов времени, пусть тотчас же закроет этот том".
К концу марафона у меня возникло странное иррациональное ощущение, будто Дарвин находится в комнате среди нас, и острое желание поговорить с ним. Я вспомнила портрет пожилого Дарвина, висящий в Национальной портретной галерее в Лондоне. На нем изображен ссутулившийся человек с печальным взглядом, который, кажется, почти физически раздавлен интеллектуальными ограничениями своего времени. Мне хотелось рассказать ему, каким удивительным образом расцвела и эволюционировала его научная идея, породив бесчисленные новые области исследований, и наконец-то разрешить его интеллектуальные терзания, поделившись с ним важной новостью: Земля - очень старая планета.
Породы отсчитывают время
Помимо нанесенной Дарвину обиды та дискуссия о возрасте Земли причинила серьезный ущерб и самой геологии. Поскольку выводы физики все больше противоречили растущему массиву данных о длительной планетарной истории, в геологическом сообществе распространилась идея, что геология должна порвать с другими науками и использовать собственные, независимые методы научных исследований. Такой тупик в отношениях с физикой хотя отчасти и был объяснимым, но, к сожалению, негативно повлиял на несколько поколений геологов и на десятилетия затормозил развитие геологической науки. Отвращение к физике и недоверие к "чужакам" привели к тому, что геологическое сообщество много лет упорно отрицало теорию дрейфа материков, предложенную в 1915 г. немецким метеорологом Альфредом Вегенером. Вегенер представил убедительные доказательства того, что земные континенты некогда были соединены в один суперконтинент Пангею. Но из-за отсутствия у него геологического образования, вкупе с резким неприятием американцами и британцами всего немецкого во время и после Первой мировой войны, его идеи оставались преданными анафеме в геологических кругах вплоть до 1960-х гг., когда они были возрождены в виде прогрессивной концепции тектоники плит.
Тем не менее в первые годы XX в. именно революция в физике обеспечила инструменты, которые позволили вывести заплутавшую геологию из викторианского лабиринта. Всего десятилетие спустя после случайного открытия Антуаном Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности этот феномен уже был использован для определения возраста горных пород. К 1902 г. исследования Марии Кюри в Париже и Эрнеста Резерфорда в Кембридже показали, что радиоактивный распад является своего рода природным алхимическим процессом, в ходе которого некоторые элементы (например, уран) самопроизвольно испускают энергию и в результате превращаются в другие элементы (например, свинец) и это происходит с постоянной скоростью, пропорциональной оставшемуся количеству исходного элемента. Сейчас нам известно, что химические элементы, которые определяются количеством протонов в ядре, могут иметь разное количество нейтронов - такие разновидности элементов были названы изотопами - и что разные материнские изотопы могут испытывать разные виды распада с образованием разных дочерних изотопов других элементов. Но на заре XX в. структура атома еще не была известна: атомное ядро было открыто Резерфордом только в 1911 г., а изотопы - еще несколько лет спустя.
В 1903 г. Резерфорд доказал, что процесс радиоактивного распада следует экспоненциальному закону, и это сразу натолкнуло его на мысль, что данный процесс можно использовать как естественные часы для определения возраста урансодержащих пород. В 1908 г. (всего через год после смерти лорда Кельвина) одаренный 18-летний студент-физик лондонского Имперского колледжа Артур Холмс заинтересовался этой идеей и решил предпринять амбициозный проект по определению абсолютных геологических дат[11]. Холмс начал собирать образцы горных пород, содержащих определенные минералы, особенно циркон, которые, как было известно, при своей кристаллизации могли включать в кристаллическую решетку только атомы урана (U), но не свинца (Pb). Затем он измерял относительные концентрации урана и свинца в таком минерале и, используя закон радиоактивного распада Резерфорда, который количественно описывал зависимость радиоактивности от времени, рассчитывал время, прошедшее с момента кристаллизации минерала[12].
С математической точки зрения эти расчеты на удивление просты и требуют знания всего двух чисел: (1) соотношения дочернего и материнского элементов (Pb: U), которое растет вместе с увеличением возраста породы и не зависит от первоначального (неизвестного) количества исходного материала (табл. 2. 1) и (2) постоянной распада материнского элемента, которая, по существу, является вероятностью распада каждого отдельного атома за определенное время, что можно сравнить с шансами человека выиграть в лотерею в отдельно взятом году. Таким образом, постоянная распада измеряется в единицах времени t-1 (или 1/t). Резерфорд вычислил постоянную распада урана на основе измерения количества радиоактивного излучения, испускаемого определенной массой урана за данный интервал времени. Постоянная распада также обратно пропорциональна более знакомой величине - периоду полураспада, т. е. времени, за которое половина материнского вещества распадается, превращаясь в дочернее вещество. Другими словами, низкое значение постоянной распада (низкая вероятность выигрыша в лотерее) означает длительный период полураспада (очень нескорый выигрыш), и, наоборот, высокое значение этой константы означает короткий полураспад (быстрое обогащение).
К 1911 г., несмотря на все еще недостаточное понимание явления радиоактивности и примитивное лабораторное оборудование, Артур Холмс определил абсолютный возраст полудюжины магматических пород, чьи взаимоотношения с осадочными слоями позволяли определить диапазоны их относительного возраста на геохронологической шкале, основанной на ископаемых остатках. Три образца пород относились к хорошо охарактеризованному окаменелостями палеозою и еще три - к хронологически темному, недифференцированному докембрию. Хотя на тот момент не было известно, что свинец образуется в результате распада не только урана, но и еще одного радиоактивного элемента - тория, вычисленные Холмсом даты были на удивление близки к современным оценкам (в пределах десятков миллионов лет).
Самой первой породой, исследованной Холмсом, был гранит из Норвегии, который (как предполагалось на основе его секущих взаимоотношений с толщей осадочных слоев, богатых ископаемыми остатками) образовался в девонском периоде. Радиоактивный анализ показал, что возраст этого гранита составляет приблизительно 370 млн лет - в 18 раз больше, чем возраст Земли, согласно оценке лорда Кельвина. А возраст докембрийского метаморфического гнейса с Цейлона (ныне остров Шри-Ланка) оказался равным 1,64 млрд лет, т. е. на целых два порядке больше, чем упомянутая оценка. Интуитивная догадка Дарвина была полностью реабилитирована. Долго господствовавшие кельвиновские декларации мгновенно потеряли свое значение, поскольку радиоактивность не только дала возможность непосредственно измерить абсолютный возраст пород, но и оказалась важным источником внутреннего тепла, не учтенного Кельвином в его расчетах скорости охлаждения планеты. (Годы спустя Холмс оспорит еще одно фундаментальное предположение Кельвина, утверждая, что Земля остывает в результате действия не столько кондуктивного, сколько конвективного механизма теплообмена.) Со временем Холмс был признан одним из наиболее выдающихся геологов XX в. Самым важным было то, что созданная им абсолютная геохронологическая шкала, пусть и не совсем точная, теперь могла быть откалибрована. Даже самые отдаленные глубины геологического времени оказались доступны для измерения. С этого момента докембрий перестает быть белым пятном, недоступным для человеческого познания.
Обычные осадки
На самом деле становление новой науки геохронологии (буквально "учения о геологическом времени") заняло еще не один десяток лет. Использование радиоактивных изотопов как высокоточных геологических часов стало возможным лишь благодаря прогрессу в ядерной физике, космохимии (которая в том числе изучает звездное происхождение земных химических элементов), петрологии (изучающей магматические и метаморфические породы), минералогии, а также благодаря разработке новых аналитических приборов, в частности масс-спектрометров, способных различать разные изотопы одного элемента и измерять их концентрацию. Одна из нетривиальных проблем заключалась в том, что геохронологическая шкала, столь кропотливо составленная геологами Викторианской эпохи с использованием ископаемых органических остатков, была полностью основана на осадочных породах. Любые получаемые изотопные датировки отражали не возраст самих осадочных отложений, а время кристаллизации предшествовавших магматических или метаморфических пород, ставших впоследствии источником обломочного материала изучаемых осадков. Таким образом, установление абсолютных датировок для основанной на палеонтологических данных стратиграфической шкалы потребовало поиска "удачных" обнажений (выходов на поверхность коренных горных пород), в разрезах которых осадочные породы с четко определенным биостратиграфическим возрастом переслаивались бы с магматическими породами или прорывались последними, что позволило бы непосредственно связать изотопный возраст этих магматических пород со временем, отвечающим образованию ископаемых остатков (рис. 4). Для этой цели идеально подходят слои вулканического пепла, поскольку они сложены неизмененными кристаллами магматического происхождения, осаждение которых из атмосферы происходило в геологическом отношении практически мгновенно, и перемежаются с палеонтологически охарактеризованными осадочными породами.
Слои пепла в толще осадочных пород дают нам общее представление о том, как формировалась каменная летопись прошлого Земли. Глядя на слоистые породы, например на невероятные по красоте стены Большого каньона, можно подумать, что каждый слой образуется наподобие снежного покрова, который покрывает всю данную область за один четко определенный отрезок времени. Но так происходит далеко не всегда. Возьмем, например, красивый, белый, почти чисто кварцевый песчаник Сент-Питер ордовикского возраста, выходящий на поверхность вдоль речных долин в Миннесоте, Айове, Висконсине и на севере Иллинойса, а также образующий живописную чашу водопада Миннехаха близ Миннеаполиса. На протяжении десятилетий эти песчаники служили источником кремнезема для производства оконного стекла на заводе "Форд" в городе Сент-Пол. Во времена сухого закона естественные полости в песчаниках этой формации вдоль реки Миссисипи были превращены в систему пещер под агломерацией городов-близнецов (Миннеаполиса и Сент-Пола), где размещались тайные склады алкоголя и подпольные бары.
Песчаник Сент-Питер представляет собой хрупкую, мало похожую на "камень" породу, и, когда она распадается в ваших руках на однородные округлые зерна, легко увидеть, что это древний пляжный песок. Однако песчаники Сент-Питер выходят на поверхность на территории четырех штатов и, как показывают результаты бурения, продолжаются на глубине под Мичиганом, Индианой и Огайо. Ни один пляж не мог бы покрывать такую огромную территорию в отдельно взятый момент времени. В действительности формация Сент-Питер образовалась в результате постепенной миграции пляжей по поверхности земли, по мере того как древние мелководные моря то покрывали эти территории, то отступали с них на протяжении миллионов лет. Однажды в ордовике в зарождающихся Аппалачах, в сотнях километров отсюда, произошло извержение супервулкана, и наполнившие атмосферу облака вулканического пепла осели на моря Мидконтинента, оставив по всему этому региону тонкий слой зеленоватой глины, как если бы это была точно датированная дневниковая запись. В некоторых местах данный пепловый слой встречается вблизи кровли формации Сент-Питер, но на остальных участках песчаники данной формации залегают намного ниже этого пеплового уровня, будучи погребенными под толщей других отложений задолго до извержения вулкана. Это говорит о том, что возраст песчаников Сент-Питер, несмотря на то что слой этих безошибочно диагностируемых пород непрерывно прослеживается на сотни километров, не является одинаковым на всем его протяжении. Обобщая, можно сказать, что, за исключением слоев, которые маркируют внезапные региональные или глобальные события, такие как мощное извержение вулкана или удар крупного метеорита, регионально распространенные осадочные толщи не являются строго изохронными, т. е. сформированными в один и тот же момент времени. Напротив, они отражают медленное перемещение обстановок осадконакопления по поверхности Земли во времени по мере изменения уровня моря и условий окружающей среды. Выражаясь геологическим языком, такие стратиграфические подразделения являются диахронными, т. е. они пересекают время.
Бюрократы времени
В наши дни геохронологическая шкала - не просто таблица или даже многотомный фолиант, а гигантская цифровая база данных, которая находится в ведении Международной комиссии по стратиграфии (International Commissionon Stratigraphy, ICS) - самого старого и самого важного органа Международного союза геологических наук. Эта комиссия устанавливает строгие правила в отношении геологических подразделений и их ограничений, а также занимается скрупулезной каталогизацией обнажений, формаций пород, ископаемых органических остатков, изотопных датировок, геохимических данных и аналитических протоколов, ведя постоянную работу по картированию геологического времени со все более высоким разрешением.
С 1970-х гг. ICS занимается поиском по всему миру конкретных участков, которые могут служить международными стандартами для определения границ между всеми подразделениями геохронологической шкалы. Среди геологов такие участки, официально именуемые глобальными стратотипическими разрезами и точками (ГСРТ) (Global Boundary Stratotype Sections and Points, GSSP), известны как "золотые гвозди". На этих участках должны присутствовать хорошо обнаженные породы, содержащие диагностические в биостратиграфическом отношении ископаемые органические остатки, относящиеся к двум смежным интервалам геологического времени. Кроме того, такие участки должны быть защищены от разрушения человеком или природой. Местонахождение конкретного слоя, выбранного в качестве границы в данном разрезе GSSP, часто описывается весьма своеобразно, с упоминанием очаровательных подробностей. Например, обнажение, в котором зафиксирован "золотой гвоздь", отмечающий стратотипическую границу сеноманского яруса верхнего мела, находится высоко во Французских Альпах "в 36 метрах ниже кровли формации Марн-Блё (Голубые мергели) на южном склоне горы Мон-Ризу"[13].
Первоначальное подразделение геохронологической шкалы на эоны, эры и периоды было осуществлено в основном британскими геологами в XIX в., поэтому названия периодов палеозоя в наибольшей степени отражают именно это географическое влияние: название кембрийского периода происходит от латинского наименования Уэльса (Cambria), девонского периода - от графства Девоншир, родины британской церемонии чаепития, название каменноугольного периода, или карбона, происходит от богатых пластов каменного угля на севере Англии. Но дальнейшее деление геохронологической шкалы на более мелкие подразделения - эпохи и века - в полной мере отражает уже международный характер усилий по картографированию геологического времени: цзяншанский (Jiangshanian) и гужангинский (Guzhangian) века в кембрии; эйфельский и пражский века в девоне, московский и башкирский века в карбоне. Международная комиссия по стратиграфии - это своего рода временной аналог Организации Объединенных Наций, глобальная ассамблея хранителей геологического времени.
И эта комиссия, подчас с излишней нервозностью, настаивает на сохранении тонкого, но важного различия между геохронологической и стратиграфической шкалой - между геологическим временем и его хроникой, зафиксированной в слоях горных пород. Геологическое время подразделяется на эоны, эры, периоды, эпохи и века, а соответствующие этим подразделениям породы - на эонотемы, эратемы, системы, отделы (серии) и ярусы. Точно так же, имея в виду геологическое время, следует говорить, например, "ранний" или "поздний" ордовик, но о соответствующих слоях пород следует говорить только "нижний" или "верхний". Время (хронос) может течь без камней (наполняющих его кайросом), но камни не могут существовать вне времени. Однако время исчезает, а камни остаются.
Уран-свинцовые часы
Первая попытка Артура Холмса определить абсолютный возраст пород, предпринятая еще до того, как было открыто строение атома и существование изотопов, была подобна интуитивной догадке Дарвина о существовании феномена наследственности, намного опередившей открытие генов и ДНК. В обоих случаях прошли годы, прежде чем остальная наука смогла в полной мере осознать и развить все следствия, вытекающие из их провидческих идей. Только к 1930-м гг. стала в полной мере понятна сложная геохимия изотопов свинца. В 1929 г. Эрнест Резерфорд установил, что два разных материнских изотопа урана, 238U и 235U, имеют разные периоды полураспада (4,47 млрд и 710 млн лет соответственно) и в результате радиоактивного распада превращаются в два разных изотопа свинца - 206Pb и 207Pb. Вскоре после этого Альфред Нир, физик из Миннесотского университета, открыл еще один изотоп свинца - 204Pb, имеющий не радиогенное происхождение, т. е. этот свинец изначально был свинцом и не являлся продуктом радиоактивного распада. Нир также разработал основной инструмент изотопного анализа - масс-спектрометр, который позволяет разделять и сортировать изотопы одного элемента на основе их атомного веса.
Сделанные открытия натолкнули Нира на мысль, что эти три изотопа свинца можно использовать для датировки горных пород и даже для определения возраста самой Земли, поскольку на протяжении всего геологического времени количество изотопов 206Pb и 207Pb должно было увеличиваться математически предсказуемым образом, а абсолютное количество нерадиогенного 204Pb оставаться постоянным. Более конкретно: из-за сравнительно короткого периода полураспада 235U запасы 207Pb на раннем этапе истории Земли должны были расти быстрыми темпами, но затем скорость их роста должна была сгладиться - как совокупный доход на сберегательном счете с высокой процентной ставкой, с которого с первых же дней снимали значительные средства. В то же время вследствие гораздо более длительного периода полураспада 238U глобальные запасы 206Pb продолжали бы накапливаться - как доход на сберегательном счете с низкой процентной ставкой, но с более медленным снятием средств. Используя ту же метафору, запасы изотопа 204Pb можно сравнить с деньгами, спрятанными под матрацем. В 1940 г. Нир и его ученики собирались применить эту идею на практике для датирования геологических образцов, но им пришлось остановить работу, поскольку Энрико Ферми попросил Альфреда Нира, сына немецких иммигрантов, присоединиться к Манхэттенскому проекту. Ученым требовалось отделить делящийся изотоп 235U от слаборадиоактивного 238U, и масс-спектрометр Нира был единственным инструментом, позволяющим различить эти два изотопа[14]. Ниру пришлось переориентировать свою лабораторию с изучения геологического прошлого на проблемы неопределенного будущего.
Однако сразу же после войны Нир вернулся к своей идее и занялся измерением соотношений изотопов Pb в залежах галенита (сульфида свинца, PbS, - первичной свинцовой руды) различного возраста, расположенных в самых разных точках мира. Галенит по определению содержит много свинца, но этот свинец не захватывает уран при кристаллизации минерала. Это означает, что соотношения изотопов свинца в галените не меняются с течением времени и должны отражать ту конкретную смесь изотопов свинца, которая существовала в окружающей среде на момент образования минерала. Как и предсказывал Нир, образцы более древних руд имели более низкие соотношения 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb (соотношения свинца "с процентного счета" и свинца "из-под матраца"). Этих соотношений могло бы быть достаточно, чтобы определить возраст Земли, если бы изначально на нашей планете отсутствовали изотопы 207Pb и 206Pb. Но Нир знал, что в момент своего образования Земля почти неизбежно унаследовала какое-то количество радиогенного свинца, накопившегося на "банковских счетах" более древних космических объектов. Следовательно, чтобы вычислить возраст Земли, требовалось каким-то образом определить изначально существовавшие соотношения различных изотопов свинца в том строительном материале.
Кроме того, Нир увидел еще одну скрытую проблему: ни один, даже самый древний образец галенита не может отражать изначального состояния всей Земли в целом. Земля - не единый резервуар, где все смешивается в однородный общепланетарный геохимический коктейль. Как раз наоборот, ее структура с течением времени становилась все более неоднородной. Вскоре после своего рождения наша планета дифференцировалась на железо-никелевое ядро и каменную мантию, в которую перешла бóльшая часть остальных веществ, включая практически весь земной уран. С тех пор многократно повторяющийся процесс частичного плавления мантии с подъемом более легких пород на поверхность привел к образованию земной коры, которая оказалась гораздо богаче ураном, чем Земля в целом или ее мантия, подобно тому как более легкий молочный жир концентрируется в верхней части бутылки с молоком в виде сливок. Нир предположил, что, тогда как полученные им данные по изотопам свинца в целом соответствовали ожидаемой модели, некоторые из изученных образцов могли ассимилировать дополнительный радиогенный свинец (207Pb и 206Pb), образованный в результате распада "избыточного" урана в земной коре, и, таким образом, неточно отражали эволюцию изотопов свинца в масштабах всей планеты.
Артур Холмс, который к концу 1940-х гг. стал профессором геологии в Эдинбургском университете и переключил свое внимание на другие важные проблемы геологии (такие как движущие силы, стоящие за образованием гор), продолжал тем не менее пристально следить за работой Нира по определению возраста Земли. Его особенно заинтересовал один из изученных Ниром специфических образцов - галенит из очень древней толщи пород в Гренландии, имевший крайне низкие концентрации урана и низкие отношения изотопов свинца. Холмс, который отличался склонностью к широким умозаключениям и оценочным расчетам, оказался готов, в отличие от щепетильного Нира, сделать предположение, что соотношения свинцовых изотопов в этом гренландском галените могут быть очень близки к их изначальным соотношениям в недифференцированном веществе Земли. С теоретической точки зрения определить возраст Земли на основе этих данных представлялось несложным: нужно было всего лишь рассчитать, сколько понадобилось бы времени, чтобы изотопные отношения изменились с этого изначального стартового уровня до значений, обнаруживаемых в более молодых залежах галенита. Но на практике вычисления оказались настолько сложными, что Холмсу пришлось приобрести механическую счетную машину. Спустя месяцы трудоемких расчетов Холмс опубликовал свою оценку минимального возраста Земли: 3,35 млрд лет[15]. Наконец-то геологи могли успокоиться: у земной истории было изобилие времени.
Но эта временна́я оценка породила новый конфликт - на этот раз с астрофизиками. Согласно теории Большого взрыва и расширения Вселенной, получившей признание в научном сообществе с конца 1920-х гг. благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла за красным смещением галактик, возраст Вселенной можно определить поразительно просто - почти элементарно по сравнению с выполненными Холмсом расчетами возраста Земли на основе изотопов свинца. Для этого требовалось построить график зависимости между скоростью (расстояние/время) удаления галактик и звезд от Земли и расстоянием до этих объектов. Наклон этой линии называется постоянная Хаббла, и величина, обратная этой постоянной, отражает время, прошедшее с начала расширения, т. е. возраст Вселенной. В 1946 г., когда Холмс объявил, что возраст Земли должен быть более 3 млрд лет, возраст Вселенной, по оценкам астрофизиков, составлял только 1,8 млрд лет[16].
Геохимики перехватывают инициативу
Это смущающее расхождение между геологическим и астрономическим временем оставалось неразрешенным почти целое десятилетие, пока астрофизики не уточнили свои оценки космологических расстояний и не открыли еще более удаленные галактики, что позволило им уменьшить общепринятое значение постоянной Хаббла и существенно увеличить возраст Вселенной. Между тем в 1948 г. талантливый аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон решил применить новый оригинальный подход к определению возраста Земли. К тому времени стало очевидно, что на Земле не сохранились первозданные породы, которые отражали бы изначальное состояние земной коры. Артур Холмс использовал соотношение свинцовых изотопов в древнем гренландском галените как лучшее из доступных приближений к изначальным значениям, но Паттерсон нашел более надежный источник информации - внеземные породы, т. е. метеориты.
Метеориты представляют собой протопланетный строительный материал и остатки разрушенных планет, которые некогда сформировались одновременно с Землей и остальной частью Солнечной системы. В отличие от земных пород, которые находятся в процессе постоянного изменения и перерождения в результате выветривания, эрозии, метаморфизма и плавления, большинство метеоритов не претерпели никаких трансформаций в космическом вакууме с момента образования Солнца и планет. Под их тонкой оболочкой, приобретенной в результате прохода через атмосферу или пребывания на поверхности Земли, скрывается нетронутый материал, несущий отпечаток самых ранних дней Солнечной системы.
Паттерсон предположил, что железные метеориты, содержащие свинец, но практически не содержащие уран, отражают первичный состав изотопов свинца, присутствовавший в зарождающейся Солнечной системе. А каменные метеориты, содержащие свинец и уран, позволяют более точно, чем любая земная порода, расcчитать среднее содержание этих элементов в современной земной коре (напоминающей хорошо перемешанный молочный коктейль). Подход Паттерсона состоял в том, чтобы измерить первичное и современное соотношения изотопов свинца, представленные в этих двух видах метеоритов, а затем повторить расчеты Холмса (рис. 5).
И снова в теории идея казалась простой, но на практике потребовала титанических усилий. Паттерсону понадобилось почти восемь лет, чтобы только собрать и проанализировать образцы метеоритов. Он столкнулся с неожиданными сложностями: ему никак не удавалось получить в достаточной степени согласующиеся результаты измерений изотопов свинца в дублирующих пробах, чтобы провести заслуживающие доверия расчеты. Тщательно изучив свой метод анализа на предмет возможных ошибок, он в конце концов понял причину проблемы: оказалось, что образцы метеоритов уже до проведения анализов загрязнялись свинцом, в больших количествах присутствующим в окружающей среде - в воздухе, на рабочих поверхностях и приборах, на одежде и коже исследователей. За эти восемь лет, работая в Калифорнийском технологическом институте и в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, Паттерсон создал первую в мире "стерильную лабораторию" со сложной системой очистки воздуха и вентиляции (сегодня такие лаборатории являются неотъемлемым атрибутом многих научных и медицинских исследовательских учреждений). В 1956 г. он наконец-то получил цифру, которая по сей день остается общепризнанным возрастом Земли: 4,55 млрд ±70 млн лет[17]. (Теперь Дарвин может покоиться с миром!) Успешно завершив двухсотлетние поиски святого Грааля, которые велись геологами и физиками со времен Геттона, Паттерсон в возрасте 31 года оставил академическую науку и посвятил остаток своей жизни крестовому подходу за запрет использования свинца (об опасных нейротоксических свойствах которого к тому времени уже было известно) в красках, игрушках, жестяных банках для продуктов питания и бензине. Казалось бы, такое научное достижение, как определение возраста нашей планеты, более чем достойно Нобелевской премии, но геологии даже нет в списке номинаций. Незадолго до своей смерти в 1995 г. Паттерсон получил престижную Премию Тайлера за достижения в области охраны окружающей среды, но я считаю это недостаточным признанием для парнишки из небольшого городка в Айове, не побоявшегося противостоять таким гигантам, как Кельвин, Хаббл и крупные нефтяные компании.
Геохронология достигает научной зрелости
После новаторских работ Нира, Холмса, Паттерсона и других ученых геохронология - научная дисциплина, занимающаяся определением возраста геологических материалов, - значительно расширила арсенал своих методов исследования, ранее включавший только уран-свинцовый анализ. В природе встречаются 92 элемента и тысячи их изотопов, большинство из которых радиоактивны (всего 254 из них стабильны). Но не все радиоактивные изотопы могут служить счетчиками геологического времени. Во-первых, период полураспада изотопа должен соответствовать продолжительности измеряемого времени. У многих же изотопов он составляет несколько дней или даже секунд, поэтому использовать их для измерения геологического времени - все равно что пытаться измерить Аляскинскую трассу 30-сантиметровой линейкой. Кроме того, вследствие экспоненциального характера процесса радиоактивности, когда за каждый период полураспада распадается половина материнского вещества, после 10 периодов полураспада в материале почти не останется материнских изотопов, независимо от того, сколько их было изначально (аналогично тому, как даже самый большой лист бумаги можно сложить пополам лишь определенное количество раз). Во-вторых, материнский изотоп должен присутствовать в датируемой породе или минерале в достаточно высокой концентрации, чтобы его можно было измерить, а также чтобы произвести измеримое количество дочернего изотопа. Конечно, понятие измеримости со временем меняется - по мере того, как прогресс в приборостроении позволяет обнаруживать элементы в минералах даже в очень низких концентрациях, измеряемых миллиардными и триллионными долями (ppb и ppt){5}.
В-третьих, дочерний элемент в идеале не должен присутствовать в минерале на момент кристаллизации - с которого начинается отсчет времени на изотопных часах, - чтобы гарантировать, что все количество дочернего изотопа в образце было образовано в результате радиоактивного распада материнского вещества после того, как кристалл стал закрытой системой. За этим стоит та же логика, что и за ненавистным студентам требованием использовать на экзаменах "голубые тетради", которое гарантирует, что все ответы на тест были написаны после того, как они вошли в класс и закрыли за собой дверь. (Разумеется, существуют математические методы, позволяющие ввести поправку на первоначальное количество дочернего изотопа, - точно так же, как опытный преподаватель может обнаружить мошенничество на экзамене.)
Наконец, в-четвертых, дочерние изотопы должны удерживаться в кристаллах, даже несмотря на то, что они обычно становятся "чужаками" в этой системе. Материнский атом со своим конкретным диаметром и электрическим зарядом занимает в кристаллической решетке строго определенное место, где он чувствует себя абсолютно комфортно и гармонично связан с соседними атомами. Но после того, как материнский атом в результате радиоактивного распада превращается в дочерний - совершенно другой элемент с другим размером атома, другими химическими свойствами, он перестает вписываться в гармоничную кристаллическую систему. Чувствуя себя дискомфортно в родительском доме, дочерние изотопы зачастую стараются сбежать из кристалла, как только предоставляется такая возможность, что чаще всего происходит в какой-то момент геологической истории при нагревании породы, открывающем кристаллическую решетку для диффузии. Поскольку соотношение дочерних и материнских изотопов является основой для определения возраста пород (табл. 2. 1), любая потеря дочерних изотопов ведет к тому, что образец будет казаться моложе своих лет.
Из-за всех этих ограничительных критериев существует всего с десяток подходящих изотопных пар (включающих материнский и дочерний изотопы), которые могут быть использованы для датирования пород (табл. 2. 2). Эти материнские изотопы были унаследованы Землей при своем формировании от предшествующих звезд и планет, и некоторые из них имеют непостижимо долгие периоды полураспада. Так, период полураспада рубидия-87 (87Rb) составляет 49 млрд лет, что намного больше не только возраста Земли, но и возраста всей Вселенной (который сейчас, после пересмотра постоянной Хаббла, оценивается примерно в 14 млрд лет). Никакого противоречия тут нет - это просто означает, что с момента образования Земли истекла всего десятая часть периода полураспада 87Rb, поэтому лишь малая часть изначального 87Rb превратилась в стронций-87 (87Sr). Но, поскольку рубидий является типичным рассеянным элементом, присутствующим во многих минералах, оба изотопа, 87Rb и 87Sr, встречаются в достаточно высоких концентрациях, что делает возможным их количественное определение для целей радиоизотопного датирования пород.
Некоторые породы, например гранит, содержат два или более минералов, каждый из которых может быть датирован на основе своей изотопной системы "материнский изотоп - дочерний изотоп", и нередко анализ этих минералов показывает разный возраст. Это еще одно геологическое наблюдение, на которое любят ссылаться креационисты-младоземельцы как на якобы опровергающее существующую геохронологическую шкалу. На самом деле было бы странным как раз обратное: если бы все минералы в магматических породах, таких как гранит, которые образуются в результате медленного остывания магмы на большой глубине, имели одинаковый изотопный возраст. Дело в том, что температура закрытия, т. е. температура, при которой кристаллические "двери" закрываются для диффузии, неодинакова для разных материнских элементов в разных видах минералов. Знание конкретных температур закрытия позволяет детально реконструировать историю застывания глубинных магматических тел - плутонов (или плутонических массивов), названных так в честь Плутона, древнеримского бога Подземного мира. Например, комбинированное датирование минералов из гранитов Туолумне в Йосемитском национальном парке на основе изотопных пар U - Pb, Rb - Sr и K - Ar показывает, что те оставались при температуре свыше 350 °C на протяжении более 3 млн лет[18]. Эти граниты, ныне образующие величественные пики горного хребта Сьерра-Невада, некогда были гранитной магмой в магматических бассейнах, питавших мощные вулканы юрского периода (с тех пор стертые с лица Земли всесильной эрозией). Понимание того, как долго может сохранять активность магматическая система, помогает предсказать извержения современных вулканов, таких как Йеллоустоунская кальдера, где многочисленные грязевые котлы и гейзеры свидетельствуют о неспокойствии в Подземном мире.
Радиоуглеродное датирование
Самый известный изотоп, используемый сегодня для датирования, - углерод-14 (14C). Этот изотоп необычен во многих отношениях и отличается от других материнских изотопов по ряду важных аспектов. Имея чрезвычайно короткий период полураспада - всего в 5730 лет, он непригоден для датирования чего-либо старше примерно 60 000 лет (поэтому его применение в геологии ограничено), и за 4,5 млрд лет на Земле не осталось первичного 14С. Этот изотоп имеет космогенное происхождение и постоянно образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей - потока высокоэнергетических заряженных частиц, прилетающих из далекого космоса. Считается, что основным источником космических лучей являются вспышки сверхновых - так астрономы называют грандиозные, феерические взрывы старых массивных звезд в конце эволюционного цикла (в процессе чего происходит выброс элементов и изотопов, впоследствии становящихся строительным материалом для новых планет). Именно для того, чтобы предотвратить негативное долгосрочное воздействие этой естественной космической радиации, для пилотов и стюардесс вводятся ограничения на годовое количество дальнемагистральных рейсов на большой высоте.
Углерод-14 образуется в результате столкновения атомов азота-14 (14N) в верхних слоях атмосферы с прилетающими из космоса высокоэнергетическими частицами, которые выбивают из ядра азота протон. Часть образовавшегося в результате изотопа 14C опускается на поверхность Земли и в процессе фотосинтеза поглощается растениями и водорослями, откуда, в свою очередь, в виде органических соединений попадает в питающиеся ими организмы, такие как грибы, все виды животных и люди в том числе. Пока растение или животное живет, дышит, фотосинтезирует или ест, относительное содержание находящихся внутри него изотопов углерода (стабильных 12C и 13C и радиоактивного 14C) соответствует их содержанию в окружающей среде. Но, когда организм умирает, углеродный обмен с внешней средой прекращается, и с этого момента количество стабильных изотопов углерода остается неизменным, тогда как радиоактивный 14C постепенно распадается, и его содержание в останках уменьшается. В отличие от других методов изотопного датирования, в которых для определения возраста образца используется соотношение дочерних и материнских изотопов, радиоуглеродный возраст рассчитывается на основе активности присутствующего радиоуглерода - она определяется как число распадов в единицу времени на грамм углерода. Это объясняется просто: изотоп 14C распадается с образованием азота 14N - газа, который быстро улетучивается из образца.
Радиоуглеродный анализ является важнейшим инструментом в археологических и исторических исследованиях и может быть использован для датирования широкого спектра образцов, содержащих биогенный углерод, включая дерево, кости, слоновую кость, семена, раковины, лен, хлопок, бумагу, торф и многое другое. Можно датировать даже океанскую воду благодаря содержанию в ней небольшого количества растворенного углекислого газа. Так, радиоуглеродный анализ показал, что возраст воды в глубинных слоях в северной части Тихого океана составляет около 1500 лет[19] - это означает, что эти воды не взаимодействовали с атмосферой со времен рождения пророка Мухаммеда.
Однако, по сравнению с методами определения геологического возраста, радиоуглеродному методу присуща относительно большая неопределенность, связанная с варьированием скорости образования 14C в верхних слоях атмосферы с течением времени, что зависит от ряда факторов, в том числе от флуктуаций геомагнитного поля, которое частично защищает нашу планету от бомбардировки космическими лучами. Чтобы откалибровать радиоуглеродные датировки с учетом этого варьирования, ученые обращаются к незатейливому, но весьма надежному хронометру - годовым кольцам на деревьях: благодаря тому, что в каждом году только внешняя часть дерева активно обменивается углеродом с окружающей средой, каждое кольцо имеет свой радиоуглеродный возраст. Соотнося данные по самым старым кольцам в живых деревьях с данными по самым молодым кольцам в древних деревьях, сохранившихся в болотах, а также найденных в местах археологических раскопок, ученые сумели продлить эту дендрохронологическую летопись на 10 000 лет в прошлое и теперь используют ее для уточнения радиоуглеродного анализа. Кольца роста в кораллах (состоящих из кальцита, CaCO3) дают менее точные исторические данные по 14C, чем кольца деревьев, но позволяют откалибровать радиоуглеродные датировки еще дальше в прошлое. Тем не менее неопределенность для датировок на основе 14C остается довольно высокой - порядка сотен и даже тысяч лет (от 5 до 10 % фактического возраста).
Люди также сыграли свою роль, добавив сложности радиоуглеродному датированию. Во-первых, надземные ядерные испытания в начале холодной войны привели к интенсивному образованию в атмосфере углерода-14 - пик, который нужно обязательно учитывать при датировании современных образцов. Вот почему радиоуглеродный возраст обычно измеряется в "годах до 1950 г.". Во-вторых, за столетие интенсивного сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выброшено огромное количество "мертвого" углерода, что отразилось на изотопном составе атмосферного углерода. Это явление получило название эффекта Зюсса по имени австрийского физика Ганса Зюсса, который впервые описал его в 1955 г.[20] (и который во время Второй мировой войны принимал участие в германской ядерной программе, гитлеровском аналоге Манхэттенского проекта в США). В то время как углерод 14C, образовавшийся в результате ядерных испытаний, постепенно рассеивается, эффект Зюсса только продолжает нарастать.
Блудные дочери
С конца 1950-х гг., когда масс-спектрометры стали доступны широким академическим кругам, геохронология выделилась в новый самостоятельный раздел геологии со своими учебными и исследовательскими программами. Примерно в это же время начал набирать популярность метод датирования на основе еще одной изотопной пары - калия-40 и аргона-40 (40K - 40Ar). Калий в изобилии присутствует во многих магматических и метаморфических породах, благодаря чему материнские (40K) и его производные дочерние (40Ar) изотопы могут быть обнаружены даже приборами с более низкой измерительной точностью. Оригинальный калий-аргоновый метод отлично подходит для датирования молодых пород с простой термической историей и по сей день остается важным инструментом, например, для определения возраста осадочных отложений, содержащих ископаемые остатки человеческих предков, таких как "Люси", которые, к удобству ученых, перемежаются со слоями вулканического пепла в магматически активной Восточно-Африканской рифтовой долине.
Проблема с парой K - Ar состоит в том, что дочерний изотоп разительно отличается от материнского. Калий - это крупный, общительный ион, охотно отдающий свой электрон другим элементам; аргон - компактный, самодостаточный атом благородного газа с полностью заполненными электронными оболочками, не желающий вступать в какие-либо отношения с другими элементами. Поэтому при малейшей возможности, будь то положение на краю кристалла, появление трещины или нагревание в ходе метаморфического события, открывающее кристаллические двери минерала для диффузии, дочерние изотопы аргона сбегают из родительского дома. В результате родительский кристалл кажется намного моложе своего истинного геологического возраста, причем невозможно узнать, на сколько именно. Полученные значения (со знаком плюс-минус) отражают лишь погрешность измерения, вызванную ограниченной точностью лабораторных инструментов, а не возможное отклонение от фактической даты.
Проблема калий-аргонового датирования стала особенно очевидной в 1960-е гг., когда этот метод был применен к древним породам плато Канадский щит, имеющим долгую многоэтапную историю деформаций и метаморфизма. Полученные датировки иногда расходились с данными полевых наблюдений об относительном возрасте этих пород. В некоторых случаях большое количество аргона, истекавшего из минералов на большой глубине, задерживалось в соседних породах, из-за чего их калий-аргоновый анализ, наоборот, давал слишком старые датировки. Младоземельные креационисты по сей день ссылаются на эти противоречия как на доказательство фундаментальной ошибочности всей геохронологии. Но к 1970-м гг. геохронологи разработали более продвинутый вариант калий-аргонового метода, который позволяет определить, имела ли место потеря аргона (или его приобретение), и получить более точные датировки.
По новой методике калийсодержащий образец подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего изотопы 40K в образце преобразуются в недолговечный изотоп аргона 39Ar, который далее выступает как эквивалент материнского изотопа. Затем в ходе лабораторной имитации метаморфического события образец медленно нагревается, чтобы запустить процесс выделения аргона. По мере повышения температуры кристаллы отдают все больше изотопов аргона обоих типов: 39Ar, представляющего материнский изотоп, и 40Ar - дочерний радиогенный изотоп. Анализ происходит поступенно: на каждой ступени нагревания выделяемый аргон собирают, измеряют его изотопный состав и на основе соотношения 40Ar/39Ar (которое фактически является соотношением дочернего/материнского изотопов) рассчитывают кажущийся возраст образца. Как правило, возраст, рассчитанный для первых нескольких ступеней, т. е. для периферии кристалла, откуда утечка геологического аргона происходила легче всего, оказывается моложе, чем возраст, полученный для внутренней части кристалла. Если при дальнейшем нагревании расчетный возраст стабилизируется вокруг некоего устойчивого значения - геохронологи называют его "плато аргон-аргонового возраста", - есть все основания полагать, что внутренняя часть кристалла не испытывала значительных потерь аргона и что полученный возраст является значимым в геологическом отношении.
Судьбоносные датировки
Пожалуй, самым знаменитым достижением аргон-аргонового метода датирования стала окончательная идентификация кратера гигантского метеорита, столкновение с которым привело к гибели динозавров в конце мелового периода. Гипотеза о том, что причиной вымирания динозавров могло быть массивное астероидное воздействие на планету, была впервые выдвинута в 1980 г. отцом и сыном Альваресами - Луисом Альваресом, лауреатом Нобелевской премии по физике, и его сыном Уолтером, геологом из Беркли. Уолтер проводил исследования в итальянских Центральных Апеннинах - молодых горах, при образовании которых в результате сжатия земной коры толщи морских известняков позднего мезозоя и раннего кайнозоя были подняты выше уровня моря[21]. Одна из этих осадочных толщ, так называемая Скалья-Росса (scaglia rossa, буквально "красный камень") - красивый известняк розового оттенка, которым итальянцы любят облицовывать дома, замки и соборы, содержит непрерывную летопись морской среды до, во время и после мел-палеогенового вымирания динозавров. Хотя в Скалья-Росса нет костей динозавров, поскольку эти отложения аккумулировались на дне континентального шельфа Африки, само событие массового вымирания четко отмечено в этой толще резким изменением характера и количества микроскопических окаменелостей, а также характерным прослоем темно-красной глины толщиной чуть больше сантиметра.
Уолтер Альварес задался вопросом, какой интервал времени представляет этот прослой глины - немой свидетель глобального апокалипсиса. Его отец Луис, еще один бывший участник Манхэттенского проекта, имел доступ к лаборатории Лоуренса в Беркли, где имелось оборудование, способное обнаруживать в материалах следовые элементы в концентрациях, измеряемых в миллиардных долях (млрд-1, или ppb). Он предложил измерить в этих граничных глинах концентрацию некоторых редких металлов платиновой группы, таких как иридий, который попадает на поверхность Земли в основном из космоса, вместе с медленным, но постоянным дождем микрометеоритной пыли (вы можете собрать микрометеориты, многие из которых обладают магнитными свойствами, даже на крыше своего дома, если у вас хватит терпения заниматься этим несколько месяцев)[22]. Средняя интенсивность этих металлических "осадков" за прошедшие 700 000 лет известна благодаря анализу антарктических ледяных кернов, и если предположить, что в меловом периоде она была примерно такой же, то, измерив содержание металлов в граничном глиняном слое, можно было подсчитать, как долго происходило его накопление. За этим стояла, по сути, та же логика, что и за попытками геологов Викторианской эпохи опровергнуть лорда Кельвина: суммировать все количество накопленного материала (осадков или иридия) и разделить на наиболее обоснованную величину скорости его накопления, чтобы вычислить длительность истекшего времени.
Чтобы получить представление о фоновых концентрациях иридия, Альваресы проанализировали образцы не только из самого глиняного слоя, но и из соседних слоев известняка, лежащих выше и ниже него. Оказалось, что концентрация иридия увеличилась примерно с 0,1 ppb (млрд-1) в нижележащем известняке до более чем 6 ppb (млрд-1) в глине. Хотя абсолютное количество металла кажется небольшим, его относительная концентрация претерпела поистине аномальный рост - в 60 раз. Это могло означать одно из двух: либо (1) слой глины формировался на протяжении очень длительного времени, медленно аккумулируя иридий из обычного микрометеоритного дождя (но тогда непонятно, почему за это время накопилось так мало обычных осадков), либо (2) огромное количество метеоритного материала попало на Землю одномоментно, а именно вместе с гигантским астероидом диаметром около 10 км. Обе гипотезы представлялись неправдоподобными, но вторая казалась чуть менее невероятной.
Однако такое объяснение в духе "бога из машины" противоречило глубоко укоренившемуся к тому времени в геологии лайелевскому униформистскому (актуалистическому) мышлению с его отрицанием роли катастроф в истории Земли. Кроме того, лежавшее в его основе материальное свидетельство - крошечное увеличение концентрации чужеродного элемента в тонком слое глины - казалось настолько ничтожным, что не могло убедить большинство палеонтологов, потративших всю свою жизнь на скрупулезное изучение окаменелостей в попытке понять причины мел-палеогенового вымирания. Тем не менее, когда аналогичные иридиевые аномалии были выявлены и на других участках выходов на поверхность верхних слоев мелового периода по всему миру, гипотеза Альваресов получила подтверждение. Теперь возник новый вопрос: где кратер?
К концу 1980-х гг. след из тектитов - крошечных сферических и каплеобразных оплавленных кусочков стекла, образующихся при расплавлении горных пород в результате высокоэнергетического ударного воздействия, - указал на Карибский регион как наиболее вероятное место падения метеорита в конце мелового периода. Но только в 1991 г., спустя более 10 лет после выдвижения астероидной гипотезы, у северного побережья мексиканского полуострова Юкатан был найден подходящий по возрасту и размеру ударный кратер - огромная кольцеобразная структура диаметром около 190 км, бо́льшая часть которой погребена под толщей молодых осадочных пород. Кратер был назван Чикшулуб по названию ближайшей деревушки на побережье. В следующем году публикация аргон-аргоновых датировок расплавленного стекла из буровых кернов, взятых из центра кратера, окончательно убедила сомневающихся геологов в том, что именно здесь находился эпицентр катаклизма. Средневзвешенное значение плато аргон-аргоновых возрастов для трех образцов составило 65,07 ± 0,10 млн лет, что точно соответствовало границе мелового периода, определенной Международной комиссией по стратиграфии[23].
Докембрий внутри кристалла
В истории Земли динозавры, как звезды шоу-бизнеса, получают львиную долю внимания и затмевают собой множество других, не менее значимых персонажей и событий. Впрочем, следует признать, что при всем уважительном отношении ко всем горным породам и мне свойственна некоторая предвзятость. Выросшая на краю Канадского щита - древнего ядра Cеверо-Американского континента, я питаю глубокое пристрастие к породам старше миллиарда лет. Подобно вину и сыру, с годами горные породы становятся все интереснее, приобретая своеобразие и особую красоту. Большинство докембрийских пород за свою долгую жизнь пережили часто неоднократное тектоническое перемещение и последующее глубокое погружение уже далеко от места своего рождения, а затем каким-то чудом оказались поднятыми обратно на поверхность. Молодые породы общаются с нами на простом и понятном языке, но обычно могут рассказать геологам лишь достаточно обычные вещи. Древнейшие породы говорят загадками, намеками и метаморфическими метафорами. Однако терпеливому и целеустремленному геологу они могут поведать правдивые истории о суровых испытаниях, которые им пришлось пережить.
Еще до того, как Клэр Паттерсон вычислил возраст Земли, изотопные датировки докембрийских пород показывали, как сильно геохронологическая шкала, составленная геологами Викторианской эпохи на основе окаменелостей, искажает восприятие геологического времени. Было установлено, что возраст нижних слоев кембрия составляет около 550 млн лет, однако возраст пород Канадского щита превышает 2 млрд лет. А с определением возраста Земли, равного 4,5 млрд лет, стало окончательно очевидно, что почти мистический докембрий, некогда считавшийся непродолжительным младенчеством Земли, недоступным для человеческого познания, на самом деле включает ее детство, юность, а также бóльшую часть взрослой жизни, т. е. целых восемь девятых времени существования планеты. Тем не менее давняя привычка уделять чрезмерное внимание фанерозою - эону "явной жизни", длящемуся с кембрия по наши дни, сохраняется и сегодня. Авторы большинства учебников по исторической геологии по-прежнему отводят докембрию одну-две формально написанные главы, спеша перейти к "более интересным" периодам. Понемногу, благодаря развитию высокоточных методов геохронологических исследований, в частности нового поколения методов уран-свинцового датирования, геологи исправляют эту устойчивую временну́ю тенденциозность.
Подобно тому как люди не помнят своего рождения и первых лет жизни, Земля не сохранила прямых свидетельств своего возникновения и ранних дней существования. Летопись Земли начинается с едва заметных записей возрастом от 4,4 до 4,2 млрд лет, скрытых в небольшом количестве крошечных и удивительно долговечных кристаллов циркона, которые сохранились в зернах древнего песчаника в хребте Джек-Хиллс в далекой Западной Австралии. Эти самые древние объекты на планете вызывают жаркие споры с момента объявления об их открытии в знаменитой статье, опубликованной в журнале Nature в 2001 г.[24]
Циркон - мечта геохронолога (недаром Холмс использовал именно этот минерал для получения первых абсолютных датировок). Его кристаллическая структура такова, что при кристаллизации в нее могут встраиваться только атомы урана, но не свинца. А поскольку уран имеет два радиоактивных материнских изотопа, которые распадаются на разные дочерние изотопы свинца, сама природа встроила в циркон возможность перекрестной проверки на предмет потери дочерних изотопов: если значения возраста, полученные по соотношениям 206Pb/238U и 207Pb/235U, совпадают, т. е. являются конкордантными, или согласными, значит, потери свинца не было. Точность конкордантных уран-свинцовых датировок циркона поразительна: возраст самого старого циркона из Джек-Хиллс был определен в 4404 ± 8 млн лет, т. е. с погрешностью всего в 0,1 %, что значительно точнее соответствующих датировок на основе углерода-14. Не все потеряно даже в том случае, если происходила потеря свинца: статистический анализ дискордантных цирконов из образца породы позволяет определить не только их возраст кристаллизации, но зачастую и возраст метаморфического события, приведшего к потере свинца.
Кроме того, циркон - очень прочный минерал, способный выдерживать абразию и коррозию, которая разрушает другие минералы, и имеющий очень высокую температуру плавления, благодаря чему он может переживать метаморфические события, не теряя "памяти" о своем прошлом. Как любят говорить геохронологи, "цирконы вечны" (в отличие от алмазов - минералов, образованных в мантии при высоком давлении, которые на поверхности Земли медленно, но неумолимо превращаются в графит). Старые кристаллы циркона обычно имеют концентрические зоны роста, почти как годовые кольца у деревьев: сердцевина кристалла хранит историю своей первоначальной кристаллизации из магмы, а последовательные полосы отражают рост в ходе более поздних метаморфических событий (рис. 6). Новейшее поколение масс-спектрометров SHRIMP (Super High Resolution Ion Micoprobe) - чувствительных ионных микрозондов с высокой разрешающей способностью - позволяет определять изотопные соотношения для отдельных "колец роста" циркона толщиной всего 10 микрон, что в несколько раз тоньше волоса. Самые старые датировки цирконов из Джек-Хиллс получены для внутренних частей кристаллов, обросших многослойными оболочками. Подобно тому как годовые кольца одного старого дерева могут хранить в себе климатическую летопись целого региона, один древний зональный кристалл циркона может содержать тектоническую хронику всего континента.
Древний возраст зерен циркона из Джек-Хиллс еще более удивителен в свете того факта, что циркон образуется почти исключительно при кристаллизации гранитов и других магматических пород, которые слагают основание континентов. Граниты представляют собой магматическую породу, образовавшуюся из "эволюционировавшей" магмы. Это означает, что они не могут образоваться за одну стадию плавления мантии (которая является источником всех пород в планетарной коре). Сегодня основным источником гранитных пород считаются очаги вулканов в зонах субдукции, таких как гора Рейнир (высочайшая точка Каскадных гор), где эти породы образуются в результате частичного плавления более старой коры, обычно в присутствии воды (подробнее об этом написано в главе 3). Если самые старые цирконы из Джек-Хиллс были образованы таким же образом, то возможно, что их кристаллизации предшествовало существование еще более ранней коры, которая образовалась, застыла, а затем переплавлялась в течение первых 150 млн лет с момента рождения планеты. Не менее удивительно и то, что соотношение различных изотопов кислорода в древних цирконах предполагает, что магма, из которой они кристаллизовались, взаимодействовала с относительно холодной поверхностной водой. Отбросив традиционно присущую ученым сдержанность в выведении заключений, авторы упомянутой эпохальной статьи в журнале Nature выдвигают смелое предположение - на основе изучения нескольких кристаллов размером меньше блохи, - что 4,4 млрд лет назад на Земле существовали не только континенты и океаны, но и, исходя из присутствия поверхностных вод, возможно, даже жизнь.
Общепланетарные усилия
Статья о цирконах из Джек-Хиллс, одна из самых цитируемых работ среди всей геологической литературы, представляла собой виртуозную кульминацию почти столетия изотопной геохимии и опиралась на самые передовые аналитические методы, доступные на тот момент. Тем не менее своими смелыми индуктивными умозаключениями и униформистским подходом она удивительным образом напоминала самый первый научный труд современной геологии - "Теорию Земли" Джеймса Геттона. Вопрос о том, распространяется ли принцип униформизма на раннюю Землю, сегодня вызывает жаркие дискуссии в геологическом сообществе, и есть веские основания полагать, что в первые 2 млрд лет своего существования Земля вела себя иначе, чем сейчас.
Как бы то ни было, история составления все еще незаконченного Атласа глубокого времени, от Сиккар-Пойнт до Чикшулуба и Джек-Хиллс, со всей наглядностью показывает, что картирование геологического времени - поистине общечеловеческое достижение, ставшее возможным благодаря самоотверженному труду бесчисленных теоретиков и практиков геологической науки: смелых мыслителей, не слишком одержимых деталями, таких как Геттон и Лайель; внимательных охотников за окаменелостями, таких как Уильям Смит; интеллектуалов-эрудитов, таких как Дарвин и Холмс, способных увидеть взаимосвязи между разными научными дисциплинами; дотошных лабораторных аналитиков, таких как Нир и Паттерсон; бюрократов из Международной комиссии по стратиграфии; а также легионов трудолюбивых безымянных полевых картографов (не только профессионалов, но и любителей), которые посвящают свою жизнь изучению и описанию камней в стремлении проникнуть в тайны не только хроноса, но и кайроса нашей планеты.
Глава 3. Ритмы Земли
Эфемерная география
Одно из моих ранних воспоминаний школьных лет связано с документальным фильмом об образовании вулканического острова Сюртсей, который начал подниматься над поверхностью Атлантического океана у побережья Исландии в конце 1963 г. На черно-белых кадрах был запечатлен удивительный процесс, как среди вздымающихся в небо клубов пара и пепла рождается новый мир - безжизненная земля из черного вулканического шлака, не обозначенная еще ни на одной карте мира. Первым извержение вулкана заметил капитан корабля, который поначалу принял его за пожар на большом судне. Мой юный впечатлительный ум был взбудоражен этим событием: то, что внутри кажущейся бесстрастной планеты с ее непроницаемым каменным лицом бурлит тайная жизнь, стало для меня настоящим откровением. С 1963 по 1967 г. Сюртсей вырос из подводного хребта с вершиной на 130 м ниже уровня моря в небольшой конический островок высотой более 170 м. На пике извержений площадь острова достигала 2,5 кв. км. Но, едва извержения прекратились, процессы эрозии, вымывания, оседания и опускания почти так же быстро принялись его разрушать. Сегодня остров уменьшился примерно до половины того размера, которого он достиг в 1967 г., и, по оценкам ученых, должен полностью исчезнуть к 2100 г. (или раньше - в зависимости от скорости повышения уровня Мирового океана). Сохранив к средним летам столь же впечатлительный ум, что и в юности, я испытываю не меньшее волнение, наблюдая за тем, как буквально на моих глазах протекает жизненный цикл этого крошечного участка суши - его рождение, молодость, кратковременный расцвет и неотвратимая кончина.
Геттон, Лайель и Дарвин были убеждены, что большинство геологических процессов протекают непостижимо медленно, и эта идея десятилетиями вдалбливалась геологами в сознание общественности. Однако сегодня, благодаря высокоточным методам геохронологических исследований, возможностям спутникового наблюдения, а также ведущемуся на протяжении столетия мониторингу основных показателей жизнедеятельности планеты, таких как температура, осадки, речной сток, поведение ледников, запасы подземных вод, уровень моря, сейсмическая активность, стало очевидно, что многие геологические процессы, некогда казавшиеся недоступными для нашего наблюдения, можно отслеживать в режиме реального времени. Постепенно мы узнаем, что темп жизни нашей планеты вовсе не такой медленный и не такой постоянный, как считалось раньше.
Базальты Земли
Первоначальное прозрение Геттона о бесконечно долгом времени существования Земли по сравнению с человеческой жизнью проистекало из осознания им того, что несогласное взаимоотношение пластов на мысе Сиккар-Пойнт отвечало огромному промежутку времени, требующемуся для формирования горного хребта и его последующего постепенного превращения снова в плоскую равнину. Но какова продолжительность этого промежутка? О том, какие силы стоят за горообразованием, науке стало известно лишь спустя 175 лет после смерти Геттона - примерно во времена появления острова Сюртсей в начале 1960-х гг., когда теория тектоники плит наконец-то объяснила, что происходит в твердой оболочке Земли. Сегодня мы понимаем, что темп горообразования в конечном итоге определяется процессами формирования и разрушения океанической коры.
В отличие от континентальной коры, представляющей собой мешанину из множества блоков пород различных типов, разного возраста и с разной историей, океаническая кора проста и однородна. Она полностью состоит из базальта - черной вулканической породы, из которой был образован остров Сюртсей, и все эти базальты имеют одинаковое происхождение. Они образовались в результате частичного плавления земной мантии под подводными вулканическими рифтами, отмеченными на поверхности океанического дна высокими срединно-океаническими хребтами. Вопреки причудливой фантазии авторов художественной литературы и фильмов, мантия (составляющая более 80 % всего объема Земли) представляет собой не котел с расплавленной бурлящей магмой, а твердую породу, которая, впрочем, медленно течет в геологическом масштабе времени. Каждые несколько сотен миллионов лет вещество мантии полностью переворачивается, подобно содержимому гигантской лавовой лампы, через процесс тепловой конвекции: более горячая, плавучая мантийная порода поднимается из глубины к поверхности, а более холодная и плотная порода опускается вниз. Мантийная конвекция является основным механизмом планетарной потери тепла (вопреки ошибочному предположению лорда Кельвина о том, что мантия статична, а Земля остывает на протяжении своей жизни вследствие кондукции). Одним из первых, кто в 1930-е гг. предположил существование конвекции в мантии, был Артур Холмс. Современные эксперименты по моделированию поведения минералов под высоким давлением в мантийных глубинах подтвердили, что конвекция пород в недрах Земли неизбежна.
Считается, что срединно-океанические хребты соответствуют зонам конвективного апвеллинга (восходящего потока мантийного вещества), где земная кора растягивается и делается тоньше над поднимающимся плюмом (мантийным потоком) горячей породы. Как это ни парадоксально, но плавление начинается только тогда, когда порода поднимается вверх и теряет бóльшую часть своего тепла. Что же заставляет твердую мантийную породу плавиться при приближении к поверхности? Вопреки интуитивной логике, это вызвано не поступлением тепла, а снижением давления. В отличие от воды, аномального во всех отношениях вещества, которое, однако, формирует наши представления о фазовых переходах, твердые породы ведут себя так, как и положено нормальному веществу: при плавлении они расширяются, при охлаждении сжимаются. Это означает, что, если порода, находясь на некой глубине в земной мантии, близка к своей температуре плавления и по какой-то причине (например, в результате подъема к поверхности) происходит снижение давления, она переходит в фазу с меньшей плотностью - расплавленную магму. Это явление называется декомпрессионным плавлением и может происходить даже при охлаждении породы, если давление снижается быстрее, чем температура. (Декомпрессионное плавление особенно приводит в недоумение лыжников и фигуристов, поскольку в этих зимних видах спорта поверхность становится скользкой благодаря противоположному поведению воды: лед тает при повышении давления.)
Сегодня, после 4,5 млрд лет охлаждения Земли в процессе мантийной конвекции, поднимающаяся в апвеллинге мантийная порода не несет достаточно тепловой энергии, чтобы подвергнуться полному плавлению. В результате магмы в океанических хребтах содержат только те компоненты мантийной породы, которые плавятся при самых низких температурах. Именно этот процесс частичного, или фракционного, плавления ведет к образованию базальта, имеющего другой состав - больше кремнезема, алюминия и кальция, меньше магния, - чем породившая его мантия.
По мере того как новая порция базальтового расплава поднимается вверх и заполняет центральную осевую зону океанического рифта, предыдущие порции, уже застывшие в твердую породу, смещаются симметрично в стороны в ходе процесса, называемого спредингом (расширением) океанического дна (рис. 7). Только что изверженный базальт более теплый и менее плотный по сравнению с несколько более ранними породами, которые он раздвигает; таким образом, каждая новая генерация базальта постепенно остывает и отодвигается все дальше от места своего рождения в рифте. Это объясняет, почему срединно-океанические хребты вздымаются на дне высокими гребнями подобно свежеиспеченным суфле, только что вынутым из духовки. На самом деле одним из ключевых открытий, приведших к теории тектоники плит, ставшей настоящим озарением в начале 1960-х гг., когда были составлены первые карты океанического дна, стало обнаружение того, что форма поперечного сечения этих подводных хребтов, по сути, представляет собой пару симметричных кривых охлаждения - напоминающих две лыжи, которые положили на полу носок к носку.
Все на карте
Давайте на минуту остановимся и осмыслим тот невероятный факт, что бо́льшая часть поверхности Земли - океаническое дно - не была картографирована вплоть до середины XX в. Даже сегодня топография большей части морского дна известна нам с разрешением около 5 км: батиметрические карты океана в 100 раз более "размытые", чем современные карты поверхности Венеры и Марса[25]. Еще более невероятно то, что первые карты двух третей нашей планеты были составлены практически одним человеком, имя которого, однако, неизвестно большинству жителей Земли (в отличие от Америго Веспуччи, в честь которого, несмотря на всю сомнительность его заслуг как первооткрывателя, названы целых два континента). Этим невоспетым героем картографии была Мари Тарп, американский геолог и океанограф. Она получила степень магистра геологии в Мичиганском университете, некоторое время работала на одну из нефтяных компаний, после чего в 1948 г. присоединилась к новому океанографическому проекту под руководством Мориса Юинга в Колумбийском университете[26]. На протяжении нескольких лет чисто мужская команда аспирантов Юинга занималась эхолокацией океанического дна, а Тарп кропотливо преобразовывала линейные графики показаний глубин в трехмерные топографические карты.
Изысканные карты с теневой штриховкой рельефа, которые Тарп скрупулезно прорисовывала пером и чернилами, показали, что дно океана, которое раньше считалось плоским и однообразным, в действительности изрезано опоясывающими земной шар грядами подводных хребтов и ужасающими своей глубиной впадинами. К 1953 г. она обратила внимание на то, что эти подводные хребты имеют одинаковое строение - параллельные гребни, между которыми находится осевая долина, и предположила, что это может быть результатом растяжения земной коры. Тарп поделилась с другим членом группы Юинга, Брюсом Хизеном, этой идеей, но тот отверг ее как "девичьи фантазии". Как бы то ни было, благодаря усилиям группы Юинга была составлена серия подробных карт морского дна, которые в итоге заставили геологов радикально пересмотреть свои взгляды на нашу планету. В 1963 г. двое британских геологов в статье в журнале Nature[27] впервые выдвинули гипотезу о спрединге океанической коры (использовав историю острова Сюртсей в качестве иллюстрации), заставив Хизена, а позже и остальную часть геологического сообщества признать, что Тарп была права.
Авторы этой статьи, Фредрик Вайн и Драммонд Мэтьюз, сформулировали гипотезу спрединга морского дна, опираясь на геометрический анализ, а не на непосредственные геологические наблюдения (пройдет десятилетие, прежде чем ученые смогут своими глазами увидеть эти подводные хребты или взять пробы слагающих их пород). Имея доступ не только к картам Тарп, но и к магнитным картам океанического дна, составленным ВМС США и Великобритании, Вайн и Мэтьюз обратили внимание на зеркальную симметрию относительно центральных осей хребтов, присущую как рельефу хребтов, так и характеристикам интенсивности магнитного поля. В частности, они обнаружили, что от гребневой зоны хребта по направлению вовне идут параллельные полосы одинаково намагниченных пород (рис. 7), а высота хребта уменьшается с увеличением расстояния от его гребневой зоны, как того и следует ожидать, если представить себе суфле из излитых пород, которое постепенно остывает и сжимается. Симметричный рисунок магнитных полос позволял предположить, что вдоль центральной оси хребта последовательно формируются всё новые генерации океанической коры. Они сначала охлаждаются в степени, достаточной для того, чтобы входящие в их состав железосодержащие минералы выровнялись согласно силовым линиям внешнего магнитного поля, после чего раскалываются пополам и смещаются в стороны, словно по гигантской конвейерной ленте. А поскольку магнитное поле Земли на протяжении планетарной истории не раз претерпевало инверсию, меняя местами северный и южный геомагнитные полюса без определенной системы (что было вторым революционным выводом в этой трехстраничной статье), эти новые фрагменты земной коры приобретали характерную магнитную полосчатость.
К началу 1970-х гг. определение возраста пород с морского дна в пробах, полученных путем глубоководного бурения, а также установление корреляции между магнитограммами океанического дна и магнитными инверсиями в хорошо датированных вулканических толщах на суше позволили разработать новый способ демаркации геологического времени - геомагнитную шкалу, привязанную к биостратиграфической (основанной на ископаемых остатках организмов) и геохронологической (основанной на радиоизотопном анализе) шкалам. Сегодня, благодаря точно известным датам инверсий магнитного поля, возраст пород на морском дне можно определить даже без получения физических образцов - путем простого подсчета того, сколько магнитных полос отделяет их от срединно-океанического хребта.
Между тем составление карты, показывающей возраст пород на дне Мирового океана, выявило еще одну странную закономерность: полосы пород любого данного возраста в Тихом океане оказались значительно шире, чем в Атлантическом. С начала кайнозойской эры 65 млн лет назад (т. е. с момента гибели динозавров) скорость спрединга океанического дна в Атлантике составляла в среднем около 1 см в год, что примерно равняется скорости роста ногтей. Это достаточно быстро - настолько, что в долине Тингведлир в Исландии, одном из немногих мест, где срединно-океанический хребет находится выше уровня моря - и где викинги с 930 г. н. э. проводили ежегодные собрания своего парламента альтинга, - был построен центр для посетителей, ширина которого равна тому расстоянию, на которое разрослась кора со времен древних викингов.
С другой стороны, скорость спрединга атлантического дна достаточно мала - настолько, что зеленые морские черепахи (Chelonia mydas), которые обитают в Бразилии и со времен динозавров совершают ежегодное плавание, чтобы отложить яйца на родном острове, представляющем собой поднятую над водой часть Срединно-Атлантического хребта, кажется, не заметили того, что за это время остров стал почти на 1100 км дальше. Черепахам пришлось бы куда сложнее, если бы их гнездовые пляжи находились в Тихом океане, где скорость расширения дна на порядок больше - она составляет почти 10 см в год (чуть медленнее скорости роста волос у человека). Если предположить, что скорость спрединга океанического дна просто отражает темпы мантийной конвекции, то почему под одним океаном конвекционные процессы происходят интенсивнее, чем под другим?
Под тяжестью плит
Замечательные карты Мари Тарп содержат ответ и на загадку о разной скорости движения плит в двух океанах. В частности, они показывают существенные различия между окраинами Тихоокеанского и Атлантического бассейнов: окраины Атлантического океана представлены в основном мелкими континентальными шельфами наподобие того, что мы видим у восточного побережья США, где глубины не превышают 200 м и океаническая кора постепенно переходит в материковую. В противоположность этому, окраины Тихого океана зачастую обрамляются головокружительными безднами, как у западного побережья Южной Америки, где глубины достигают более 8000 м ниже уровня моря. Эти глубоководные желобы отмечают собой зоны субдукции, где старая холодная океаническая кора, подчиняясь тому же инстинкту, что и бразильские морские черепахи, возвращается к месту своего рождения в недрах Земли.
Когда базальтовая океаническая кора достигает возраста примерно в 150 млн лет и удаляется на сотни километров от породившего ее разлома, она становится такой же плотной, как нижележащая мантия, в результате чего начинает погружаться обратно в глубь Земли под определенным углом и при этом тянет за собой остальную часть плиты подобно одеялу, соскальзывающему с края кровати (рис. 8). Сила этого субдукционного "затягивания", вероятнее всего, и определяет более высокую скорость спрединга океанического дна в Тихом океане - его рифтовые разломы просто создают новую кору в том же темпе, в котором происходит поглощение старой океанической коры по краям. В отличие от этого, скорость спрединга атлантического дна предположительно соответствует естественному, величественному и неспешному ритму жизнедеятельности мантии. Таким образом, земная кора является не пассивной "крышкой", а активной системой, где тектонические плиты не просто движутся в ритме, задаваемом конвективными процессами в мантии, но и в некоторых случаях задают собственный ритм, в конечном итоге диктуя и скорость образования гор. Но, для того чтобы образовались горы, сначала должна сформироваться континентальная кора, а это снова возвращает нас к срединно-океаническим хребтам.
Труженица вода
Вайн и Мэтьюз правильно истолковали морфологию океанических хребтов как результат последовательного поступления на поверхность и охлаждения все новых порций базальтового расплава. Но процесс остывания свежего океанического базальта происходит вовсе не так пассивно, как у вынутого из духовки суфле. Вместо этого холодная океаническая вода стремительно проникает внутрь извергнутой породы через трещины и поры, жадно поглощает тепло, а затем под давлением вырывается наружу в виде подводных гейзеров, образующих трубообразные постройки и известных как черные курильщики. По пути вода прихватывает из молодых пород не только джоули, но и растворимые химические элементы, такие как кальций, и оставляет взамен натрий, тем самым уменьшая соленость океана. (Об этом не было известно Джону Джоли, когда тот пытался оценить возраст Земли исходя из солености морской воды. Полученная им цифра в 100 млн лет не была абсолютно бессмысленной - просто она отражала типичное время пребывания натрия в морской воде, а не возраст Земли.) По примерным оценкам, весь объем воды, содержащийся в Мировом океане, проходит таким образом через молодые базальтовые породы срединно-океанических хребтов примерно за 8 млн лет[28].
Но не вся проникающая внутрь вода выходит наружу. Попадая в запутанные лабиринты и образуя химические связи с находящимися в базальтах минералами, часть воды остается запертой в океанической коре на длительный срок. Как выяснилось, эта случайная ловушка для воды является одним из важнейших компонентов тектонической системы Земли. Субдуцирующая океаническая плита, со дней своей молодости насыщенная "спрятавшейся" водой, погружается в мантию и постепенно нагревается. Когда она достигает глубины около 50 км, эта древняя морская вода начинает, наконец, высвобождаться и проникает в окружающую мантию. Мы привыкли представлять круговорот воды в природе как относительно короткий по времени цикл: молекула воды остается в атмосфере в среднем около девяти дней; время пребывания воды даже в самых больших озерах, таких как Верхнее озеро, составляет один-два века; подземные воды в глубоких горизонтах могут находиться там целое тысячелетие. Однако существует и цикл круговорота воды продолжительностью более 100 млн лет, который проходит через верхнюю мантию, и на самом деле такая гидратация мантии является необходимым шагом в "рецепте приготовления" континентальной коры.
В присутствии воды твердая (в ином случае) порода мантийного клина над субдуцирующей плитой начинает плавиться при более низкой температуре, чем обычно, - аналогично тому, как соль снижает температуру таяния льда на тротуаре. Это спровоцированное водой плавление ведет одновременно к разрушению и созиданию: благодаря ему в конечном итоге образуется новая континентальная кора, но это происходит в результате деятельности одних из самых мощных и смертоносных вулканов на нашей планете, которые возникают на верхней плите, прямо над тем местом в зоне субдукции, где погружающаяся плита отдает свои запасы воды. Обычно вулканы образуют дугообразную цепь в форме растянутой буквы C, что отражает кривизну субдукционного желоба на сферической Земле - аналогично тому, как вмятина на мячике для пинг-понга имеет серповидную форму. Если верхняя плита, как и погружающаяся под нее нижняя плита, также представлена базальтовой океанической корой, образующуюся цепочку вулканических островов называют островной дугой. В качестве примера можно привести Японию, Индонезию, Филиппины, Алеутские острова и северную часть Новой Зеландии. Если нижняя плита подползает под континентальную плиту, образующуюся цепочку вулканов называют континентальной дугой. Такими дугами, например, являются Каскадные горы и Анды (рис. 8).
В обоих случаях образованный благодаря воде мантийный расплав должен проложить себе путь через верхнюю плиту на поверхность. Иногда магма не в силах пробить твердую "крышку", поэтому она скапливается под поверхностью и частично расплавляет вышележащую кору. Как и в срединно-океанических хребтах, компоненты с более низкой температурой плавления извлекаются легче всего, что приводит к образованию новых магм, еще более богатых кремнеземом и еще менее похожих по составу на мантию, чем базальты. Многократное повторение циклов такого плавления приводит к постепенной "эволюции" коры, результатом которой является континентальная кора, состоящая преимущественно из легких гранитных пород. Таким образом, современная земная тектоника плит - с ее непрерывным формированием, созреванием и разрушением океанической коры как необходимым условием для генезиса континентальной коры - представляет собой идеальную сансару, круговорот рождения, смерти и реинкарнации.
Как быстро растут горы?
Зона субдукции функционирует гладко и плавно (хотя и не всегда без сейсмических проявлений), если океаническая кора при подходе к желобу достаточно тонкая и плотная для того, чтобы плавно погружаться в мантию. Но если океаническая плита содержит "неперевариваемые" включения, такие как слишком горячие или слишком толстые участки океанической коры, или же тянет за собой старую массивную островную дугу или вообще непотопляемый континент, образуется затор. Если при этом плита подползает под континентальную кору, неизбежно происходит нагромождение и деформация материала, и начинается формирование горной системы. Самые высокие горы на нашей планете, такие как современные Гималаи и некогда Альпы, Аппалачи и каледониды{6}, образуются в результате того, что длительно существующая зона субдукции в конце концов поглощает весь океанический бассейн, что приводит к столкновению двух континентов.
Сколько времени занимает образование гор? В случае с Гималаями магнитограмма океанического дна позволяет пролить свет на историю их происхождения. Итак, в конце мелового периода Индия отделилась от древнего южного континента Гондвана[29] и, под действием спрединга и субдукции океанической коры, начала энергично двигаться в сторону Азии. Преодолев в общей сложности около 2500 км за 30 млн лет - с довольно-таки впечатляющей для такого марафона средней скоростью более 8 см в год, примерно 55 млн лет назад Индия достигла Азии. С тех пор вклинивание северной окраины индийской континентальной плиты под азиатскую привело к вертикальному утолщению обеих континентальных плит посредством разрывных и складчатых деформаций, в результате чего и появилась Гималайская горная система. Поскольку сегодня схождение плит продолжается, от точки первоначального контакта на север и на юг распространяется волна деформации, постепенно расширяя пояс вздыбленной и смятой коры.
До появления в 1960-е гг. теории тектоники плит происхождение горных систем не имело вполне логичного объяснения. Многие геологи признавали, что для образования складчатых поднятий, типичных для горных регионов, требуется горизонтальное сжатие, однако в свете доминировавшей тогда теории фиксизма, отрицавшей перемещение континентов, было непонятно, какая движущая сила может стоять за этим процессом. Еще в XIX в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (дед того самого Ганса Зюсса, который доказал, что наблюдаемое снижение концентрации углерода-14 в атмосфере вызвано эмиссией "древнего" углерода от сжигания ископаемого топлива) пришел к выводу, что многие горные породы в Альпах образовались на дне моря и затем каким-то образом были подняты на поверхность. В соответствии с представлениями лорда Кельвина о тепловой эволюции Земли он предположил, что по мере своего остывания наша планета сжимается, и на ее поверхности образуются морщины, подобно тому как гладкая виноградина, высыхая, превращается в морщинистый изюм.
Выдающийся искусствовед, интеллектуал-эрудит и любитель гор Джон Рёскин, современник Зюсса, также высказывал интуитивную догадку, что горы есть не статичные вечные монументы, но живые летописи динамичных событий. В отличие от Зюсса, у Рёскина морфология Альп ассоциировалась не с высохшим фруктом, а с текучей субстанцией: "Можно увидеть действие и единое движение в этих вздымающихся гребнями массах, напоминающих морские волны. Их фантастические, но вместе с тем гармоничные изгибы словно подчиняются движению некоего великого прилива, проходящего через весь массив горной цепи"[30]. Он также пришел к выводу, что эти "гармоничные" формы являются результатом действия противоположных сил - "подъемной силы изнутри гор" и "формирующей силы воды снаружи". Но возникает вопрос: насколько могущественны эти противостоящие друг другу силы?
Самые высокие вершины Гималаев, поднимающиеся на 9000 м над уровнем моря, расположены в том месте, где некогда находилось побережье. Таким образом, кажется логичным предположить, что скорость роста гор можно рассчитать, разделив их высоту на возраст в 55 млн лет, что дает нам совершенно не впечатляющие 0,015 см в год. Однако эта цифра - грубая недооценка фактической скорости поднятия, поскольку, как только тектонические силы начинают строительство гор, высокоэффективная команда эрозионных агентов тут же принимается их разрушать. Следовательно, чтобы получить адекватное представление о горообразовании, нам нужно найти способ измерить скорость этих двух противоположных процессов по отдельности.
Сегодня, благодаря спутникам высокоточной системы глобального позиционирования (GPS), геологи могут отслеживать поднятие земной поверхности практически в режиме реального времени. По данным GPS, в самой высокой части Гималаев, на Тибетском нагорье, средняя скорость поднятия на протяжении последнего десятилетия составляла около 2 мм в год. Это почти на порядок медленнее, чем скорость конвергенции (сближения) тектонических плит, составляющая около 2 см в год[31], и отражает довольно типичное соотношение вертикальной и горизонтальной деформации в коре. Однако инструментально измеренная скорость роста гор в 100 с лишним раз превышает вышеприведенную долгосрочную оценку (0,015 см в год), не учитывающую эффект эрозии. Как узнать, можно ли экстраполировать современную оценку, полученную на основе спутниковых измерений, на более длительные периоды геологического времени? В горах постоянно протекает процесс так называемой эксгумации: по мере поднятия "крыши мира" верхние этажи горного здания постоянно разрушаются, а нижние этажи, некогда находившиеся на подземных уровнях, постепенно поднимаются на поверхность, пока не становятся новым пентхаусом. Чтобы рассчитать долгосрочную скорость поднятия, нам нужно знать, сколько этажей было разрушено за все время и как быстро.
Есть несколько способов узнать, какое количество пород некогда возвышалось над горным поясом и было впоследствии удалено. Один из них - спросить у пород, вышедших сейчас на поверхность, как глубоко они находились под землей в определенное время в прошлом. Это можно сделать с помощью метода, известного как метод трекового датирования (или датирование по трекам распада), который изначально был разработан нефтегазовыми компаниями для реконструкции термальной истории осадочных пород, чтобы определить, могло ли в них в свое время происходить образование нефти или природного газа (осадочные отложения должны быть достаточно нагреты, чтобы органическое вещество "приготовилось" в них должным образом, но не слишком горячими, чтобы оно не выгорело).
В основе трекового датирования лежит тот факт, что широко распространенный изотоп урана 238U не только радиоактивен, но и имеет нестабильное ядро, которое спонтанно распадается с известной скоростью и с выбросом энергии. Эти высокоэнергетические события повреждают изнутри структуру кристалла. Используя микроскоп с большим увеличением, можно разглядеть эти повреждения, или треки распада, внутри урансодержащих кристаллов, таких как циркон (который в очередной раз подтверждает свой статус сокровища для геохронологов) и апатит (минерал, присутствующий в зубах и костях). Для каждого урансодержащего минерала характерна конкретная температура, при нагревании выше которой его кристаллическая решетка способна исцелить саму себя и стереть эти шрамы, подобно "волшебному экрану", стирающему все рисунки, если его хорошо потрясти. Но, если минерал находится ниже этой температуры, все повреждения остаются запечатленными в кристаллах. Таким образом, подсчитав плотность треков распада в данном объеме минерала, можно определить, сколько времени прошло после его остывания до определенной температуры и, следовательно, с того момента, когда он оказался на соответствующей глубине. Термохронология на основе треков распада для гималайских пород показывает, что современная скорость поднятия, оцененная на основе нескольких десятилетий спутниковых наблюдений, соответствует скорости поднятия в геологическом масштабе времени[32].
Остатки былых времен
Другой способ узнать, сколько материала было "сострижено" эрозией с гор, - посмотреть на объемы отложений, которые накапливаются у их подножий, подобно обрезкам волос на полу в парикмахерской. В Гималаях бо́льшая часть эродированного обломочного материала скопилась в двух гигантских "свалках" на морском дне: конусе выноса Инда и конусе выноса Ганга и Брахмапутры (который также называется Бенгальским конусом), куда эти реки на протяжении 50 млн лет выносят обломки гор. На картах Мари Тарп эти конусы похожи на два длинных языка, вытянутых от побережья далеко в Индийский океан. Бенгальский конус выноса является самым большим в мире: от общего устья Ганга и Брахмапутры на побережье Бангладеш (которое само полностью образовано из обломочного материала, принесенного с гор) его язык простирается на юг более чем на 3000 км. Если наложить этот конус на континентальную часть США, он растянется от канадской границы до Мексики, причем почти половину этого расстояния его толщина будет превышать 6,5 км.
Бурение и геофизическая разведка конуса выноса Инда[33] и Бенгальского конуса[34] позволяют нам увидеть перевернутую вверх дном импрессионистскую летопись выветривания Гималайских гор, где измельченные обломки пород, некогда венчавших вершины новорожденных гор, образуют самые нижние слои в огромной толще глубоководных отложений. По оценкам ученых, объем одного только Бенгальского конуса выноса[35] составляет 12,5 млн куб. км - это больше, чем современный объем Тибетского нагорья, находящийся выше уровня моря[36]. Это означает, что за все время существования Гималаев эрозия "состригла" с них больше материала, чем тот, из которого в настоящее время сложена эта высочайшая горная система Земли. В свете этого факта ответить на, казалось бы, элементарный вопрос Дилана (и Геттона): "Сколько лет может простоять гора, прежде чем ее смоет в море?" - становится еще сложнее. О каких горах идет речь? Гималаи существуют вот уже 55 млн лет, но на самом деле сегодня мы видим далеких потомков изначальных древних гор, чьи обломки сейчас лежат на дне Индийского океана.
Эфемерная природа гор, как и любого другого ландшафта, - одна из причин того, почему несогласия в стратиграфической летописи, такие как знаменитое несогласное напластование Геттона на мысе Сиккар-Пойнт, таят в себе такую притягательность. Верхний несогласный пласт погребает под собой и надежно сохраняет древние рельефы, позволяя нам увидеть поверхность давно исчезнувшей Земли ранних эонов. Регион Барабу-Хиллс в Висконсине, мекка для геологов (и родина недавно почившего знаменитого Цирка братьев Ринглинг, Барнума и Бейли - "Величайшее шоу на Земле"), представляет собой один из наиболее замечательных примеров палеотопографической консервации на планете. Около 1,6 млрд лет назад, в докембрии, здесь сформировался горный пояс, который в раннем палеозое, когда современный регион Великих озер оказался на дне моря, был погребен под сотнями метров морских отложений. Сегодня эрозия палеозойских пород достигла такой стадии, когда граница несогласия между образованиями докембрийского и палеозойского миров во многих местах вышла на поверхность. Давным-давно погребенные горы постепенно эксгумируются, и современная земная поверхность все больше приближается к той, что была здесь в позднем протерозое. Интересно, что этот древний ландшафт послужил источником вдохновения для двух великих мыслителей-натуралистов: Джона Мьюра, чья семья иммигрировала сюда из Шотландии, когда он был еще ребенком, и основоположника экологической этики Олдо Леопольда, чей "Календарь песчаного графства" (Sand County Almanac){7} был написан в тени первозданных Барабу-Хиллс. На Земле (даже в том же Висконсине) имеются и куда более древние породы, и разрушенные эрозией корни более старых горных поясов, но регион Барабу-Хиллс уникален тем, что здесь сохранился самый древний рельеф на планете - вот уж поистине "величайшее шоу на Земле".
Живые горы
Исследование снесенных с Гималаев отложений показывает, что, несмотря на некоторые вариации в скорости поднятия и эксгумации этого горного сооружения на протяжении длительного времени, в среднем полученные цифры находятся в том же диапазоне, что и оценки, сделанные на основе спутниковых наблюдений и термохронологических методов, таких как датирование по трекам распада. Этот униформистский результат, вероятно, обрадовал бы Лайеля. Гигантские отложения эрозионных осадков заставляют обратить внимание на еще один удивительный факт: скорость тектонических процессов, вызванных внутренним радиоактивным теплом Земли, по счастливому совпадению примерно соответствует[37] скорости действия внешних агентов эрозии - ветра, дождя, рек, ледников, приводимых в действие силой тяжести и солнечной энергией. Другими словами, возвращаясь к нашей аналогии с парикмахерской, волосы на голове у клиента растут ровно с той же скоростью, с какой его стрижет парикмахер. И хотя рост и эрозия гор происходят очень неспешно, эти процессы все же протекают не настолько медленно, чтобы быть недоступными нашему непосредственному наблюдению.
Такая удивительная соразмерность аддитивных и субтрактивных процессов формирования рельефа является одной из уникальных особенностей Земли. Ландшафты других скалистых планет и спутников выглядят такими чуждыми именно потому, что в этих мирах нет баланса в скорости действия созидательных и разрушительных рельефообразующих агентов. Если бы на Земле тектоника намного опережала эрозию, горные системы были бы гораздо выше и больше по площади, создавая более обширные участки высокогорной среды обитания альпийского типа. Если бы эрозия, наоборот, обгоняла тектонику, континенты были бы ниже, с более изрезанным рельефом, а реки приносили на континентальные шельфы гораздо больше отложений, что значительно изменило бы характер прибрежных регионов. И в том и в другом случае жизнь на суше и в море столкнулась бы с другими факторами естественного отбора, и эволюция вполне могла пойти иными путями. С другой стороны, сама жизнь способна влиять на рельефообразующие процессы: есть весомые доказательства того, что колонизация суши растениями в раннем силуре, около 400 млн лет назад, замедлила глобальные темпы эрозии и привела к появлению рек с четко выраженным руслом[38]. Кстати говоря, людям потребовалось всего несколько веков, чтобы обратить эту тенденцию вспять: по некоторым оценкам, современная скорость антропогенной эрозии - чему способствуют вырубка лесов, сельскохозяйственное использование земель, опустынивание и урбанизация - на несколько порядков превышает средний геологический показатель[39].
Примечательно и то, что темпы биологической эволюции гармонично согласованы со скоростью тектонических и поверхностных процессов в геологическом масштабе времени. Особенно хорошо это видно на примере Гавайских островов, которые формировались в направлении с северо-запада на юго-восток по мере того, как Тихоокеанская плита проходила над "горячей точкой", где мантийная порода поднимается из глубин к поверхности и претерпевает декомпрессионное плавление. Изучение биоразнообразия на каждом острове показывает, что адаптивные радиации - всплески эволюционного образования видов от одного общего предка - совпадали с периодом вулканического роста каждого острова, после чего этот процесс замедлялся по мере того, как эрозия брала верх, уменьшая площадь острова и уровень высот[40]. То же самое характерно и для таких же юных Галапагосских островов, разнообразие живых видов на которых навело Дарвина на мысль об эволюции. Только представьте, какой была бы наша планета, если бы морфология ее поверхности менялась слишком быстро, опережая способность многоклеточной жизни к эволюционной адаптации, - как оркестр, играющий слишком быстро, так что танцовщики не могут за ним поспеть? К счастью, все участники земного ансамбля - вулканы, дожди, папоротники, вьюрки и все остальные - исполняют свои партии с поразительной синхронностью.
Дожди и террейны
Более внимательный взгляд на протекающие в горах процессы обнаруживает еще более тонкую связь между тектоникой и эрозией - и еще больше усложняет ответ на загадку Геттона - Дилана. Начать с того, что скорость эрозии зависит от погоды и климата, а тектонические формы рельефа способны влиять и на то и на другое. Как известно, через контрольный пункт безопасности авиапассажирам разрешается пронести лишь небольшое количество жидкости - вот так и горные хребты играют роль своего рода барьеров, заставляя воздушные массы сбрасывать содержащуюся в них влагу, чтобы пройти над линией гребня. В результате на наветренных склонах выпадает избыток осадков, а на подветренных склонах создается так называемая область дождевой тени, что приводит к асимметричным темпам эрозии в горной системе. В Индии интенсивность ежегодных муссонов напрямую связана с существованием Гималаев и, в свою очередь, муссоны являются причиной интенсивной эрозии в их высоких предгорьях. Тибетское нагорье отчасти обязано своей высотой засушливым условиям, созданным самими же горами. В то же время засушливость приводит к недостатку растительности, что делает склоны более уязвимыми к гравитационному разрушению через оползни. Таким образом, по мере своего роста горы создают собственные сложные климатические системы, которые, в свою очередь, влияют на их дальнейшую эволюцию[41].
Крупные горные системы, такие как Гималаи, могут оказывать влияние даже на глобальный климат. В меловом периоде, до столкновения Индии и Азии, Земля была похожа на парник с очень теплым климатом, без ледников и ледяных шапок на полюсах. Регион Великих равнин в Северной Америке покрывало внутреннее море, доходившее до западной Миннесоты. Ученые объясняют это необычайно быстрым спредингом океанического дна на протяжении примерно 40 млн лет, что привело к всплеску вулканической активности и, как следствие, к значительному повышению концентрации вулканического углекислого газа (СО2) в атмосфере. Некоторые виды динозавров населяли даже высокие арктические широты. Но в раннем кайнозое, примерно в то же время, когда началось образование Гималаев, климат Земли вступил в длительный период похолодания, который продолжался последующие 50 млн лет. Многие геологи предполагают существование причинно-следственной связи между этим климатическим трендом и формированием высокогорного рельефа Гималаев. В частности, химическое выветривание горных пород под воздействием дождевой воды в геологическом масштабе времени является важным механизмом поглощения углекислого газа (CO2) - самого распространенного парникового газа - из земной атмосферы (рис. 9). Об этом мы подробнее поговорим в следующих главах.
В отсутствие человеческой деятельности главным источником CO2 являются вулканические эксгаляции. Попадая в атмосферу, CO2 соединяется с водяным паром и образует слабую кислоту - углекислоту (H2CO3), которая, выпадая в виде осадков, постепенно растворяет горные породы. Многие коровые породы содержат кальций, который затем в растворенном виде переносится реками в Мировой океан. В океане многочисленные морские организмы, от кораллов и морских звезд до одноклеточного зоопланктона, используют этот кальций и бикарбонат (HCO3 - ) для строительства кальцитовых раковин и экзоскелетов (CaCO3). Весь процесс в упрощенном виде можно описать как последовательность химических реакций:
Ключевым с точки зрения долгосрочного влияния на климат является следующий этап, когда секретирующие кальцит организмы умирают: их минеральные остатки оседают на морское дно и образуют известняк, где атмосферный углекислый газ запирается в твердой форме на десятки миллионов лет.
Это долгосрочная планетарная программа по улавливанию и хранению углерода, одна из наиболее недооцененных экосистемных услуг, интенсифицируется в те периоды, когда для химического выветривания становятся доступными обширные поверхности новых пород, как, например, при образовании горной системы масштаба Гималаев. Таким образом, рост Гималайских гор оказал влияние не только на локальные и региональные погодные условия, но и на климат и даже на топографию в глобальном масштабе, в конечном итоге способствуя наступлению ледникового периода, когда ледники и ледяные шапки изменили рельеф на всей планете.
Бурные потрясения
Еще более тонкая и парадоксальная связь между эрозией и горообразованием проистекает из того, как горная система взаимодействует с нижележащей земной мантией. По мере того как горы образуются в результате столкновения плит и утолщения коры, огромная масса пород, нагроможденных в одном месте, вызывает вытеснение твердого, но относительно пластичного верхнего слоя земной мантии, называемого астеносферой, - как это происходит с водой под тяжело груженным кораблем. Но, когда горы перестают расти (как в случае c молодыми, но уже тектонически неактивными Альпами), эрозия берет верх и постепенно уменьшает вес коры. В результате этого перемещенная верхняя мантия возвращается к своему исходному состоянию, а горы поднимаются вверх подобно кораблю, освобожденному от груза. Это явление, известное как изостатический отскок, также наблюдается в областях, которые прежде были покрыты толстым слоем ледника[42]. Так эрозия, как это ни поразительно, способствует поднятию гор[43].
Таким образом, на протяжении всей жизни гор дружный ансамбль танцоров: коровые деформации, климат, эрозия и мантийные дислокации - исполняют неспешный, слаженный танец, в котором каждый участник влияет на движения других. Однако порой их замедленная хореография может прерываться внезапными прыжками и жете. Чарльз Дарвин, переживший мощное землетрясение в Чили во время экспедиции на "Бигле", одним из первых предположил, что эти разрушительные события могут приводить к образованию гор, хотя причина землетрясений - резкие смещения по разломам - в то время была не вполне понятна. Обнаружив пласт "разлагающихся двустворчатых моллюсков", поднятый землетрясением на высоту более 3 м над линией прилива, Дарвин предположил, что старые раковины, найденные им на высотах до 180 м, попали туда точно таким же образом - "в результате последовательных небольших поднятий, подобных тому, какое сопровождало (или вызвало) землетрясение в этом году"[44]. Как всегда, Дарвин оказался прав.
В отличие от большинства геологических процессов, которые трудно изучать из-за очень медленной скорости их протекания, землетрясения происходят быстро, но их очаги возникают на недоступных для наблюдения глубинах. Никто никогда не видел, что происходит на поверхности разлома глубоко в земной коре при землетрясении. Тем не менее проводившиеся на протяжении столетия сейсмологические исследования, объединившие теорию упругих волн, экспериментальную геомеханику и анализ современных и древних зон разломов, позволяют извлекать количественную информацию из неровных линий сейсмограмм, на основе которой можно получить достаточно точную картину происходящего глубоко в коре Земли. Самые мощные землетрясения, называемые мегаземлетрясениями (или землетрясениями мегатолчка), имеют магнитуду около 9 и происходят в зонах субдукции - именно такие произошли в Индонезии в 2004 г. и в Японии в 2011 г. Такие мегаземлетрясения могут за несколько минут сделать то, что при фоновых скоростях тектонических процессов заняло бы много сотен лет.
Во время землетрясения на Суматре в 2004 г., вызвавшего разрушительное цунами, активизировался участок на стыке плит протяженностью 1100 км[45]. Подводный разрыв распространялся от очага на север в течение 10 адских минут со скоростью более 1,6 км/с, или 6900 км/ч. На всем этом расстоянии Зондская плита (обычно рассматривается как часть Евразийской плиты), на которой находится Индонезия, пододвинулась под соседнюю плиту в западном направлении в среднем на 20 м, на что при нормальной скорости движения плиты потребовалось бы примерно 1000 лет. Сдвигание каждого последующего сегмента границы плиты порождало мощные сейсмические волны - подлинную причину сотрясения поверхности земли, которые распространялись концентрическими кругами, подобно ряби от брошенного в воду камня, со скоростью от 3 до 5 км/с. Измерение этих скоростей представляет не только чисто научный интерес. Несмотря на высокую скорость распространения фронта разрыва и сейсмических волн, электромагнитные волны, передающие цифровую информацию, движутся еще быстрее. В Индонезии, Японии и других сейсмоопасных регионах были созданы системы оповещения о землетрясениях и цунами по мобильным телефонам - в надежде на то, что даже несколько секунд в критических обстоятельствах помогут спасти человеческие жизни.
Хотя пока мы не научились точно предсказывать, где и когда произойдут сильные землетрясения, одно можно сказать наверняка: они будут продолжаться. Глобальные инструментальные сейсмические данные, собранные почти за столетие, показывают, что мегаземлетрясение с магнитудой около 9 следует ожидать вдоль одной из планетарных зон субдукции в среднем каждые несколько десятилетий. По всему миру на всех типах разломов каждый год происходит одно-два 8-балльных и несколько десятков 7-балльных землетрясений[46]. Таким образом, строительство сейсмостойких зданий в сейсмически активных регионах должно стать одним из ключевых гуманитарных приоритетов во всем мире. В XXI в. нам должно быть стыдно со средневековым ужасом и удивлением взирать на развалины городов и тысячи жертв, как это случилось в январе 2010 года на Гаити, когда 7-балльное землетрясение унесло более ста тысяч человеческих жизней.
В замедленном темпе
На протяжении десятилетий геологи считали, что деформация земной коры в зонах разломов происходит в двух радикально разных режимах: быстро и бурно (со скоростью несколько метров в секунду) во время землетрясений и медленно и спокойно (со скоростью несколько сантиметров в год) в остальное время. Поскольку считалось, что между этими физическими явлениями в зонах разломов, столь различающимися по своим временны́м характеристикам, мало общего, сейсмологи - ученые, изучающие землетрясения, - и геологи-"структурщики" (такие как я), изучающие постепенные горообразующие тектонические процессы, традиционно относились к двум разным академическим кланам. Однако позднее эти две области геологической науки начали сближаться. В конце 1980-х гг. было установлено, что характерная стекловатая порода с труднопроизносимым названием псевдотахилит, иногда встречающаяся в древних зонах разломов, является продуктом локализованного фрикционного плавления, которое могло возникнуть только при смещении пород вдоль плоскости разлома со скоростью в несколько метров в секунду, т. е. при землетрясениях. Таким образом, ученые впервые смогли непосредственно наблюдать физические последствия воздействия сейсмического сдвига на породы, находившиеся в очаге землетрясения. А в начале XXI в. появление сейсмических "антенн" нового поколения в сочетании с высокоточным GPS-мониторингом движений земной коры и развитие вычислительных мощностей для обработки данных привели к удивительному открытию, что разломы в действительности демонстрируют более широкий спектр поведения, чем считалось раньше.
Между "ползучими" тектоническими движениями, происходящими медленно и долго, на фоновых тектонических скоростях, и обычными землетрясениями, длящимися считаные секунды или минуты, геологи зарегистрировали промежуточные события, называемые медленными землетрясениями. Эти события длятся от нескольких дней до нескольких недель и сопровождаются генерацией очень низкочастотных подземных толчков (тремора), которые прежде считались шумом и игнорировались. В отличие от обычных землетрясений, при которых разрыв разрастается со скоростью нескольких километров в секунду, медленные землетрясения распространяются вдоль зоны разлома со скоростью пешехода - на 16-32 км в день. Еще одна странность состоит в том, что некоторые из них затем разворачиваются и распространяются в обратном направлении с чуть более высокой скоростью[47], подобно туристу, который торопливо возвращается по своим следам, чтобы подобрать потерянную рукавицу. Что еще более странно, в некоторых зонах разлома такие медленные сдвиговые события повторяются с регулярными, но необъяснимыми интервалами. Например, в зоне субдукции Каскадия, проходящей вдоль побережья штата Вашингтон и Британской Колумбии, медленные землетрясения в среднем повторяются каждые 14 месяцев[48].
Причины и следствия такой замедленной сейсмичности пока не ясны. Многие геологи считают, что эти события могут быть связаны с флюидами, просачивающимися через деформирующиеся породы, и в таком случае трещины в древних породах, заполненные минеральными массами, называемые жилами, - источники многих металлических руд - в действительности могут быть следами древних медленных землетрясений. Это весьма интригующая гипотеза, однако гораздо важнее вопрос о том, как могут быть связаны между собой эти медленные сейсмические процессы и внезапные, разрушительные землетрясения. Помогают ли медленные землетрясения понемногу снижать накапливающееся напряжение в зонах разлома путем мелких приращений или же они предвосхищают более мощные, потенциально катастрофические события?[49] Исследования зон разломов по всему миру - на западе США, в Новой Зеландии, Японии, Центральной Америке - приводят к неутешительному выводу, что для разных зон разломов и разных глубин ответ может различаться. Представляется также, что во временны́х масштабах от нескольких столетий до тысячелетий в поведении разломов могут обнаруживаться тайные особенности, которые на сегодняшний день находятся за пределами наших возможностей наблюдения.
Вниз по склону
Подобно тому как неспешно происходит процесс образования гор, иногда перемежаясь бурными импульсами, их разрушение представляет собой комбинацию непрерывного процесса с дискретным. Мы, люди, привыкли считать, что, глядя на горные массивы, смотрим в лицо самой вечности, тогда как в действительности видим перед собой великий символ бренности. Величественные вершины и исполинские скалы - это всего лишь плоды незаконченного труда бригады одержимых скульпторов: воды, льда и ветра, вступающих в творческий союз с силой тяжести. Введенные в заблуждение кажущейся незыблемостью, мы бываем потрясены, когда очередной обвал оставляет шрам на склоне нашей любимой горы в Йосемитском национальном парке или уродует "лицо" знаменитого утеса Старик в Нью-Гэмпшире. Исследования в области геоморфологии (изучающей эволюцию ландшафтов) говорят о том, что эпизодические оползни и другие типы масштабного обрушения склонов могут быть наиболее важным механизмом эрозии в горной местности, тогда как реки (ранее считавшиеся основными агентами эрозии) просто убирают за ними мусор на протяжении последующих десятилетий и столетий[50].
Землетрясения, которые обычно способствуют строительству гор, тоже могут вызывать мощные оползни, как это было во время трагического Вэньчуаньского землетрясения в Китае в 2008 г., которые фактически сводят на нет эффект сопутствующего тектонического поднятия[51]. Другими словами, процессы формирования и разрушения горных ландшафтов тесно связаны между собой, и в обоих случаях могут доминировать не столько длительные и скучные периоды униформистской размеренности, сколько короткие, катастрофические эпизоды в режиме реального времени.
Существуют геологические свидетельства обрушений склонов в древности, которые по своей величине и мощи настолько превосходили все то, что доводилось видеть человечеству на своем веку, что кажутся невероятными сценами из плохих апокалиптических фильмов. Так, примерно 73 000 лет назад катастрофический обвал склона вулканического острова в архипелаге Кабо-Верде у западного побережья Африки породил цунами, которое забросило 90-тонные валуны на высоту 180 м на другом острове, находящемся в 50 км от этого места[52]. И хотя большинство людей знают, что под Йеллоустоном находится спящий супервулкан, который в прошлом извергался с инфернальной мощью, мало кому известно, что находящаяся по соседству гора таит в себе следы еще более ужасающей древней катастрофы. Гора Сердце в штате Вайоминг (рядом с которой во время Второй мировой войны находился лагерь для интернированных японцев) является частью блока горной породы (толщиной 1,6 км и площадью примерно с Род-Айленд), которая некогда сползла по довольно пологому склону более чем на 50 км всего за 30 минут, т. е. со скоростью автомобиля на автостраде, под действием перегретых газов под ее основанием[53], как предполагают ученые. Такие катастрофические события указывают нам на то, что с нашим коротким окном наблюдений мы видим лишь часть проявлений поведения Земли и что считающиеся нами "нормальными" процессы рельефообразования в действительности могут быть подобны деятельности спасательной бригады, пытающейся восстановить разрушенную инфраструктуру после катастрофы. Эта идея вряд ли понравилась бы Чарльзу Лайелю.
Неизведанная земля
Понимание долгосрочных последствий таких резких топографических изменений тем более важно, что в настоящее время мы сами являемся агентами геоморфологической катастрофы. Открытый способ добычи угля посредством так называемого "срезания вершины горы" - обманчиво безобидный хирургический термин - сопряжен с перемещением огромных объемов пород, сравнимым по масштабам с крупнейшими стихийными бедствиями. В некоторых районах Аппалачей старые топографические карты попросту стали непригодными для использования. Проведенное в 2016 г. исследование измененного рельефа на юге Западной Вирджинии показало, что с 1970-х гг. с горных вершин было срезано и свалено в верховьях речных долин около 6,4 куб. км "вскрышных" пустых пород[54]. По объему это сравнимо с количеством эрозионного осадочного материала, которое Ганг и Брахмапутра - две мощнейшие реки, стекающие с самой высокой горной системы на планете, - выносят в Бенгальский конус выноса за десятилетие. И это только в одном регионе - на юге Западной Вирджинии.
Последствия такого массированного нарушения ландшафта будут весьма обширными и длительными. Склоны, где деревья некогда скрепляли почву поверх коренных подстилающих пород, ныне покрыты насыпями породных отвалов толщиной в десятки метров. В естественных условиях реки формируют в горных областях русло, близкое к так называемому профилю равновесия, т. е. имеющее такой уклон, когда скорость потока соответствует объему осадочных пород, поступающих в речную долину. Сегодня в долинах Аппалачей маленькие горные речки доблестно стараются справиться с колоссальными объемами отходов горнодобычи, доставляемых туда человеком. Сколько времени может занять их вымывание, оценить достаточно сложно, поскольку у нас нет геологических аналогов такого глубокого нарушения равновесия, но, по самым консервативным оценкам, на это могут уйти сотни тысяч лет. Не менее удручает и прогнозируемое краткосрочное и долгосрочное воздействие этого антропогенного вмешательства на химический состав поверхностных и подземных вод и на судьбу аборигенной фауны и флоры. А психологический эффект, который оказывает на людей печальное зрелище обезглавленных гор, и вовсе не поддается оценке.
Сегодня во всем мире люди перемещают больше горных пород и осадочного материала - как преднамеренно, ради добычи полезных ископаемых, так и непреднамеренно, ускоряя темпы эрозии сельскохозяйственной деятельностью и урбанизацией, - чем все реки планеты, вместе взятые[55]. Формирование земной географии перестало быть уделом исключительно геологических процессов. Буквально за несколько лет Китай радикально изменил карту архипелага Спратли в Южно-Китайском море, построив несколько искусственных островов, намывая грунт с морского дна на коралловые рифы, - этакий пугающий антипод естественно возникшему острову Сюртсей. На юге Англии темпы отступания знаменитых меловых скал увеличились с нескольких до 30 см в год в результате человеческого воздействия на береговую линию вкупе с наступлением моря на сушу и усилением штормливости вследствие изменения климата[56]. Дельта Нила погружается в море на 2,5-5 см в год из-за резкого уменьшения объемов твердого стока после строительства Асуанской и других плотин[57]. Побережье Луизианы теряет около 0,4 га суши в час из-за непреднамеренных последствий порожденного людьми "идеального шторма": строительство канала континентального масштаба на реке Миссисипи резко сократило поступление наносов, тогда как интенсивная добыча нефти и газа привела к оседанию земной поверхности - и все это на фоне неуклонного повышения уровня моря (которое является косвенным следствием сжигания тех самых ископаемых углеводородов)[58]. В Оклахоме мы собственноручно разбудили давно спящие разломы и спровоцировали землетрясения, используя для добычи нефти и газа метод гидроразрыва пласта, при котором огромные объемы воды нагнетаются под давлением в глубокие горизонты[59].
Беспрецедентный масштаб антропогенного влияния на топографию планеты является одним из аргументов в пользу концепции антропоцена - выделения в геохронологической шкале новой эпохи, знаменующей превращение человека в глобальную геологическую силу. Мы в буквальном смысле слова меняем конфигурацию континентов и переделываем карту мира. Но насколько это значимо для планеты, которая непрерывно меняет свой географический облик, разрушает старые миры и созидает новые? Вряд ли наше влияние так уж существенно для самой Земли, которая в конечном итоге переделает все в соответствии с собственными предпочтениями - либо медленно и постепенно, либо посредством стремительных катастроф. Однако в человеческом масштабе времени нам еще долго придется расхлебывать негативные последствия нашей разрушительной деятельности. Почвы, потерянные в результате эрозии, прибрежные территории, утраченные из-за наступления Мирового океана, горные вершины, принесенные в жертву на алтарь капитализма, - всего этого уже не вернуть при нашей жизни. Более того, эти изменения запускают каскад побочных эффектов - гидрологических, биологических, социальных, экономических и политических, которые будут определять существование человечества на многие века вперед. Другими словами, бездумное пренебрежение геологическим прошлым и плодами его труда ведет к тому, что мы теряем контроль над собственным будущим.
В 1788 г., увидев несогласное напластование на скалистом мысе Сиккар-Пойнт, Джеймс Геттон понял, что образование такого утеса заняло огромное количество времени, и пришел к выводу, что геологическое время бесконечно. Спустя 200 с лишним лет мы научились хронометрировать рост и разрушение гор. Возраст знаменитого углового несогласия Геттона, отделяющего породы силурийского периода от девонских пород, составляет не вечность, а "всего" около 50 млн лет - этого времени более чем достаточно для создания и разрушения горного пояса, т. е. для течения пород в мантии, столкновения континентов, крупномасштабных смещений по разломам, скульптурирования рельефа дождевыми каплями и разрушения горных пиков. Сегодня, когда у нас появилась возможность наблюдать за процессами в твердой оболочке Земли в режиме реального времени, мы с удивлением обнаруживаем, что жизненные ритмы планеты не так уж недоступны нашему восприятию и наш древний земной шар имеет в своем репертуаре куда более широкий набор темпов, в том числе головокружительно быстрыx. Изучение моделей поведения Земли учит нас относиться с почтением к ее способности менять свой облик посредством как постепенных изменений, так и эпизодических катастроф.
Сформировавшееся в XIX в. представление о невероятно медленных темпах геологических процессов породило у нас утешительное заблуждение, что наша планета - вечное, незыблемое и бесчувственное небесное тело, на которое мы, как бы ни хотели, не в силах оказать сколь-нибудь существенное воздействие. В свете этого мы также рассматривали любые стремительные события, такие как образование новых вулканических островов или землетрясения с магнитудой 9 баллов, как отклонение от нормального хода вещей, хотя в действительности это обычное дело для нашей планеты. Но сегодня становится все более очевидным, что мы стали достаточно сильны для того, чтобы оставлять на планете свои следы и шрамы, собственноручно нанося ущерб своему жилищу. И пока мы будем страдать от последствий, Земля будет неспешно заниматься ремонтными работами, время от времени перемежая их программами интенсивной реновации, стирая с лица планеты плоды нашей деятельности.
Глава 4. Изменения в атмосфере
Здесь чувствуем мы лишь Адама кару -
Погоды смену: зубы ледяные
Да грубое ворчанье зимних ветров,
Которым, коль грызут и бьют мне тело,
Дрожа от стужи, улыбаюсь я:
"Не льстите вы!" Советники такие
На деле мне дают понять, кто я.
Находит наша жизнь вдали от света
В деревьях - речь, в ручье текучем - книгу,
И проповедь - в камнях, и всюду - благо.
Холодная встреча
На Шпицбергене многие элементы ландшафта не имели официальных названий до конца XIX в., поэтому в местности, где я проводила полевые работы, учась в магистратуре, некоторые из них были названы в честь геологов той эпохи. Высокий пик носил имя Йёнса Якоба Берцелиуса, "отца шведской химии" и пионера минералогии. Относительно защищенная от ветров долина с полудюжиной живописных ледников была окрещена Чемберлиндален в честь Т. Чемберлина, геолога из Висконсина, который первым составил карты ледниковых отложений в верховьях Великих озер. Выступающий в Северный Ледовитый океан мыс, обдуваемый всеми ветрами, назывался Капп-Лайель - как несложно догадаться, в честь великого апологета униформизма.
То, чем я занималась на Шпицбергене в 1980-х гг., мало чем отличалось от работы моих коллег в XIX в. - я составляла геологическую карту района: намечала геологические границы безымянных литологических подразделений, отбирала образцы для анализов и предварительно интерпретировала данные для реконструкции истории геологического развития региона. Подобного рода рекогносцировочные геологические работы в большинстве других частей мира были завершены еще несколько десятилетий назад.
Базовые карты, на которые мы наносили результаты наших геологических наблюдений, были увеличенными копиями прекрасных, нарисованных от руки карт 1920-х и 1930-х гг. Меня восхищал и использованный картографами изящный шрифт с легким наклоном, и аккуратные надписи, изогнутые в соответствии с дугами ледников и береговых линий. Но сечение горизонталей (промежуток между изогипсами - линиями одинаковых высот) на этих картах было разрежено до 50 м - очень крупное сито, которое не могло уловить много ценных топографических деталей. Поэтому в поле мы использовали еще и аэрофотоснимки, сделанные Норвежским полярным институтом в 1930-е и 1950-е гг. (с перерывом на ужасные военные годы, когда Норвегия боролась за выживание и даже на отдаленном Шпицбергене среди фьордов скрывались зловещие германские субмарины). Днем мы соотносили эти снимки с местностью, делали на них отметки, а белыми ночами, при блеклом свете полуночного солнца, переносили эту информацию на карты. Такие аэрофотоснимки (сегодня в основном уступившие место спутниковым изображениям) представляли собой стереоскопическую пару - два перекрывающихся снимка местности, которые, если смотреть на них через специальный стереоскоп, позволяли увидеть объемное изображение топографических особенностей рельефа. (Некоторые опытные геологи могут достичь того же эффекта без стереоскопических очков, просто расслабив и слегка сведя глаза, но я так и не научилась этому трюку.) Вскоре мы поняли, что нам нужно быть осторожными с определением местоположения объектов относительно краев ледников на аэрофотоснимках, поскольку их границы заметно сдвинулись вверх по долине по сравнению со старыми фотографиями. Это было первым знаком того, что на этот полярный архипелаг, казалось навсегда застывший в ледяном оцепенении, возвращается время.
В последующие годы мне посчастливилось заниматься геологическими исследованиями потрясающих ледниковых ландшафтов в других районах Шпицбергена, а также в Канадской Арктике, но на мыс Капп-Лайель мне снова довелось попасть только в 2007 г., ровно 20 лет спустя после той первой экспедиции. За эти годы я сильно изменилась - вышла замуж, сделала научную карьеру, воспитала трех сыновей, пережила смерть супруга - и вернулась сюда другим человеком. Но я была уверена в том, что этот кусочек суши, запечатленный в моей памяти в мельчайших подробностях, остался почти неизменным со времен моей молодости. Действительно, я нашла нашу старую лагерную стоянку - булыжники, которыми мы укрепляли кухонную палатку, по-прежнему лежали там, где мы их оставили. Но почти все остальное изменилось удручающим образом. Наша группа смогла приплыть сюда на катере в начале июня - на несколько недель раньше, чем это было возможно в 1980-е гг., потому что в этом году морской лед не дошел до южной части Шпицбергена. (На самом деле это был первый известный случай в истории, когда легендарный Северо-Западный проход был также свободен ото льда.) Из-за этого белые медведи, которые раньше проводили все лето, праздно дрейфуя на льдинах и охотясь на жирных тюленей, и потому не доставляли геологам больших неприятностей, теперь бродили по берегу и смотрели на нас голодными глазами. Хорошо знакомые мне ледники, некогда стекавшие в долину Чемберлиндален ослепительно белыми массивными толщами, превратились в посеревшие, жалкие подобия самих себя, словно усохшие на своих горных склонах. Почти два десятилетия я читала студентам лекции об изменении климата и могла бы и во сне перечислить все факты и доказательства. Но, увидев своими глазами шокирующие изменения, затронувшие столь близкое мне место, я была потрясена до глубины души: это было все равно что прийти на встречу с близкими старыми друзьями и обнаружить их всех смертельно больными. В том, что Капп-Лайель носил имя первого апостола униформизма, казалось, крылась горькая насмешка: время, на многие века оставившее Шпицберген погруженным в ледяную вечность, возвращалось, чтобы мстительно напомнить о своем существовании.
Таинственный эфир
Перемены, коснувшиеся ледников Шпицбергена, наглядно показывают, что даже самые отдаленные уголки планеты почти у самых ее полюсов тесно связаны с остальным земным шаром через атмосферу. Земля со своей структурой концентрических слоев удивительно похожа на персик: железное ядро соответствует косточке, мантия - мякоти, кора - кожице. Атмосфера же напоминает внешний слой ворсинок на кожице фрукта: в пропорциональном отношении она имеет такую же толщину, простираясь на 480 км над поверхностью Земли, а бóльшая часть ее массы сосредоточена в нижнем 16-километровом слое. Вездесущая, но большей частью невидимая, атмосфера является одним из важнейших благ, предоставляемых нашей гостеприимной планетой своим обитателям. В отличие от атмосфер наших ближайших соседей - чудовищно тяжелой на Венере и почти улетучившейся в космос на Марсе, - которые состоят в основном из углекислого газа и представляют собой немногим более чем застойные вулканические эксгаляции, земная атмосфера с ее смесью азота и кислорода со следовыми количествами СО2 - это одновременно аномалия и чудо. Понимание ее происхождения и древней истории помогает нам взглянуть на современные темпы атмосферных и климатических изменений в перспективе. История атмосферы неразрывно связана с историей жизни. Современная атмосфера была в значительной степени сотворена самой жизнью, которая, образно выражаясь, написала ее химическую конституцию. Жизнь стабильно управляла атмосферой на протяжении большей части геологического прошлого, хотя временами даже ее сложная система биогеохимических сдержек и противовесов не могла предотвратить атмосферные революции и экологические катастрофы.
Откуда мы можем получить информацию о древнем воздухе? В отношении последних 700 000 лет у нас есть непосредственные "пробы" его состава - воздушные пузырьки, попавшие в древний снег и сохранившиеся внутри полярного льда (подробнее об этом читайте в следующей главе). Но как насчет более давних времен? Парадоксально, но многое об атмосфере нам может поведать такой, казалось бы, противоположный всему эфемерному и летучему источник, как горные породы. И породы говорят, что современная атмосфера является по крайней мере четвертой фундаментальной версией внешней оболочки Земли. Вопреки представлениям Геттона и Лайеля об истории Земли как о череде бесконечно, но бесцельно повторяющихся циклов, история атмосферы - это воспитательный роман о том, как наша планета обновлялась в процессе своего взросления. Как воздух в доме - чистый и свежий, или прокуренный и затхлый, или же с манящими ароматами готовящейся еды, атмосфера Земли многое говорит о привычках ее обитателей. На протяжении по крайней мере 2,5 млрд лет биосфера меняла атмосферу в планетарном масштабе, и наоборот, все массовые вымирания видов и крупные сбои в биосфере совпадали с резкими изменениями в составе атмосферы. Эволюция воздушной оболочки Земли тесно связана с эволюцией ее твердой оболочки через вулканизм, выветривание горных пород и осадконакопление, в то же время атмосфера способна к гораздо более гибким, чем тектоническая система, и подчас происходящим в мгновение ока трансформациям. Нырнув в глубины сложной истории невидимого воздушного океана, мы можем научиться по-новому ценить каждый вдох.
Первый ветерок и второе дыхание
Самая первая атмосфера Земли предположительно была "каменистой" - насыщенной измельченными и распыленными частицами горных пород, поднятыми в воздух вследствие постоянной бомбардировки планеты астероидно-метеоритными телами. Помимо знаменитых цирконов из Джек-Хиллс (о которых рассказывалось в главе 2), мы пока не нашли на Земле других свидетельств первых 500 млн лет ее существования. Единственный более или менее обширный источник информации об этом периоде, который ученые назвали гадейским эоном (он же катархей) в честь Гадеса (или Аида), греческого бога подземного царства мертвых, подразумевая, что в те времена наша планета напоминала ад, - это образцы, доставленные астронавтами и луноходами с Луны. Хорошо знакомая, изрезанная шрамами поверхность нашего спутника, сложенная породами, возраст которых составляет около 4,45 млрд лет, и покрытая толстым слоем раздробленных, большей частью измельченных до состояния пыли обломков пород (лунным реголитом), является наглядным свидетельством тех адских времен, когда остатки строительного материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, яростно бомбардировали молодые внутренние планеты.
Этот космический мусор предположительно включал не только каменные и металлические метеориты, но и ледяные кометы, прилетавшие из-за пределов орбиты Нептуна и доставлявшие на новорожденную Землю драгоценную воду, собственные запасы которой на нашей планете, учитывая ее близость к Солнцу, были довольно ограничены. В любом случае, как свидетельствуют цирконы из Джек-Хиллс, через 100 млн лет существования Земли на ее поверхности или по крайней мере в приповерхностной коре уже имелось некоторое количество воды - зачатки будущих океанов, которые впоследствии станут одной из главных уникальных особенностей нашей планеты. Установлено, что интенсивная бомбардировка Луны закончилась примерно 3,8 млрд лет назад, когда были образованы знаменитые лунные моря - в действительности гигантские кратеры, открытые Галилеем. А поскольку в гадейском эоне Луна была даже ближе к Земле, чем сегодня, разумно предположить, что в первые 700 млн лет своей жизни наша планета подвергалась такому же космическому обстрелу. И более того, вполне может быть, что это массированное воздействие привело к потере нескольких ранних атмосфер и океанов[60].
Таким образом, самые ранние систематические записи в летописи Земли совпадают с последними страницами истории Луны, после чего прерываются на 400 млн лет и возобновляются лишь около 4 млрд лет назад. Перевитые метаморфические породы, выходящие на поверхность в районе Большого Невольничьего озера на севере Канады - гнейсы Акаста, - официально признаны самой древней горной породой на Земле (это уже не просто минеральные зерна, такие как цирконы) и отмечают старт земного отсчета геохронологической шкалы: начало архейского эона. К сожалению, рассказывая в живых подробностях историю высокотемпературных поднятий и других процессов в недрах юной Земли, достопочтенные гнейсы Акаста (и чуть более молодые гнейсы в других районах Канады, а также в Гренландии и на юге Миннесоты) не сохранили никаких воспоминаний об условиях на поверхности планеты.
Первые сведения о происходившем на дневной поверхности Земли мы можем получить благодаря супракрустальным комплексам в формации Исуа на юго-западе Гренландии, которые были образованы 3,8-3,7 млрд лет назад, примерно в то время, когда интенсивная космическая бомбардировка наконец-то пошла на убыль. Формация Исуа включает разнообразные осадочные породы, образованные в результате эрозии и осадконакопления в поверхностных водах, а также зеленокаменные породы - метаморфизированные, но узнаваемые "подушечные" базальты с луковицеобразной формой отдельности, которая является характерным признаком подводных извержений. Это говорит о том, что в то время на Земле уже были океаны, а близость Луны, вероятно, значительно увеличивала высоту приливов. Приливы также были более частыми, чем сегодня, поскольку день длился предположительно меньше 18 часов (соответственно, в году было около 470 дней)[61]. Со временем трение между системой океан-атмосфера и твердой оболочкой Земли, действуя как мягкий тормоз, постепенно замедлило вращение планеты.
Породы формации Исуа снабжают нас косвенными сведениями о второй атмосфере Земли. Их происхождение свидетельствует о том, что 3,8 млрд лет назад на Земле жидкая вода была в изобилии, что, однако, вступает в противоречие с моделями звездной эволюции, согласно которым наше Солнце, относящееся к звездам класса желтый карлик, в те времена было примерно на 30 % менее ярким, чем сегодня, - а при таком количестве поступающей солнечной энергии любая вода на Земле должна была находиться в замороженном состоянии. Впервые на этот парадокс слабого молодого Солнца обратил внимание астрофизик Карл Саган в 1972 г.[62] Было выдвинуто множество оригинальных гипотез, как примирить это очевидное противоречие между астрофизической теорией и палеогеологическими данными (несущее в себе отголоски предыдущих противостояний между физикой и геологией). На сегодняшний день преобладает объяснение, согласно которому большая концентрация парниковых газов в атмосфере компенсировала недостаток солнечной энергии и сделала климат на юной Земле достаточно мягким для того, чтобы древние реки могли течь и стекаться в открытые моря. Как показывает атмосфера соседних Венеры и Марса с их затянувшейся вулканической активностью, первыми парниковыми газами, вероятно, были углекислый газ (CO2) и водяные пары, хотя метан, этан, азот, аммиак и другие газообразные вещества могли играть роль дополнительных одеял, сохранявших архейский мир в тепле. Каким бы ни был ее точный состав, эта вторая атмосфера просуществовала более миллиарда лет и дала жизнь первым землянам.
Признаки жизни
Очевидное водное происхождение пород формации Исуа делает их бесценными угодьями для охотников за ранними формами жизни. В 1996 г. группа геологов из США, Великобритании и Австралии объявила об обнаружении косвенных геохимических доказательств древней жизни в графите (минеральной форме углерода), найденном в обогащенном железом слое в двух обнажениях пород формации Исуа[63]. В частности, они выявили необычно высокое содержание более легкого, стабильного (т. е. нерадиоактивного) изотопа углерода 12C по отношению к чуть более тяжелому 13C. Дело в том, что фиксирующие углерод организмы, в том числе фотосинтезирующие микробы и современные растения, очень разборчивы в отношении углерода. Поскольку для ассимиляции более легкого изотопа требуется чуть меньше энергии, они предпочитают выбирать именно его из доступных в окружающей среде углеродных атомов. В результате биогенный углерод имеет более низкое соотношение 13C/12C (разница в несколько тысячных долей), чем углерод, который не был переработан живыми организмами.
Как и предыдущие заявления об обнаружении самых древних свидетельств жизни на Земле, это открытие подверглось многочисленным атакам. Геологи из других исследовательских групп выдвигали разные предположения: что исследованные породы слишком метаморфизованы, чтобы сохранить исходную сигнатуру изотопов углерода[64], что на одном из опробованных участков вмещающая порода, казавшаяся осадочным образованием, в действительности была магматической интрузией[65] или что образцы были попросту загрязнены современным органическим веществом[66]. Горячий характер этой дискуссии вполне понятен, учитывая, насколько высоки ставки - в конце концов, речь идет об истории нашего собственного происхождения!
Из-за этой неопределенности приз за звание самых древних подтвержденных следов жизни был пока что возвращен очень похожей на формацию Исуа, но более молодой толще зеленокаменных и осадочных пород, находящейся на другой стороне мира - на северо-западе Австралии. Это формация Дрессер группы Варравуна, которая, хотя и моложе на 250 млн лет, может, по крайней мере, похвастаться наличием прямых, зримых следов жизни - ископаемых строматолитов (рис. 10)[67]. Эти тонкослоистые, комковатые породы (название которых буквально означает "каменная подстилка" или "ковровый камень", что связано с их бугристой поверхностью) являются окаменелыми микробиальными матами, вероятно представляющими не один биологический вид, а вертикальную экосистему прокариот, находящихся в симбиотических отношениях и живших в первобытном океане. Осадочные текстуры, характерные для среды с волновым возмущением, указывают на то, что строматолиты росли в мелких, хорошо освещенных солнцем водах, а также позволяют предположить, что эти организмы, по крайней мере в верхних слоях, были фотосинтетиками. Имея уже довольно сложную коммунальную организацию, строматолитовые колонии не могли быть самыми первыми формами жизни. Как и цирконы из Джек-Хиллс и несогласное напластование Геттона, они указывают на существование гораздо более ранних, пока неизвестных предшественников. Тем не менее пальма первенства не только в категории самых древних сохранившихся пород, но и самых древних следов биосферы осталась пока у Австралии.
В 2016 г., после двух десятилетий жарких споров по поводу того, заключены ли в породах Исуа химические призраки древних организмов, еще одна группа геологов, включавшая двух авторов оригинальной статьи об изотопах углерода, опубликовала новое исследование, сообщив об обнаружении образований, вероятно являющихся строматолитами, в обнажении карбонатных (известняковоподобных) пород в формации Исуа, недавно вскрытом в результате таяния ледника[68]. Их возраст оценивается в 3,7 млрд лет. Освещая это открытие, мировые СМИ вполне ожидаемо подчеркивали его важность для поисков жизни на Марсе, хотя куда более важный его смысл кроется в том, что жизнь на Земле, по всей видимости, зародилась и достигла значительного разнообразия еще в те времена, когда на планете царил ад космических бомбардировок[69]. И с этого момента эволюция земной атмосферы была тесно переплетена с эволюцией жизни.
Железный век
Стальной магнат (и позже филантроп) Эндрю Карнеги, который в свое время был богаче Билла Гейтса, Сэма Уолтона и Уоррена Баффета, вместе взятых, сколотил состояние, не только эксплуатируя тысячи рабочих на своих сталелитейных заводах, но и, если копнуть глубже, благодаря труду несметного числа древних микробов. Сталь Карнеги, как, впрочем, и практически вся остальная сталь в мире, выплавлялась из пород, относящихся в некотором смысле к исчезнувшему роду. Большинство типов пород, например базальты, извергаемые вулканами срединно-океанических хребтов, или песчаники, состоящие из гранулированных остатков других пород, более или менее вечны в том смысле, что сегодня их образование продолжается на Земле точно так же, как на протяжении прошедших миллиардов лет. В отличие от них, осадочные образования с незамысловатым названием "железистые формации" накапливались лишь в определенный период времени в истории Земли и отражают революцию в химическом составе поверхности планеты, которая произошла лишь однажды, в раннем протерозое, от 2,5 до 1,8 млрд лет назад. В частности, эти самые плотные из пород свидетельствуют о радикальном изменении атмосферы - переходе от поверхностных условий без свободного кислорода (О2) к дивному новому миру, созданному благодаря неустанному труду выделяющих кислород фотосинтетических микроорганизмов, таких как синезеленые водоросли, или цианобактерии (чьи современные потомки являются бичом стоячих водоемов, вызывая цветение воды и неприятный запах). Эта была третья атмосфера Земли.
Полосчатые железистые формации, чаще всего встречающиеся в Австралии, Бразилии, Финляндии и регионе Верхнего озера, - это красивые породы с яркой цветовой палитрой, где тонкие слойки серебристого гематита и черного магнетита чередуются с серым кремнем и красноватой яшмой. Мощность этих формаций может достигать сотен метров. Как правило, они разрабатываются гигантскими открытыми карьерами, такими как огромная рукотворная бездна "Халл Раст" ("Большой каньон Севера") в Хиббинге (штат Миннесота), родном городе Боба Дилана. Если не принимать во внимание их металлический состав, эти железистые формации очень сходны с современными известняками по характеристикам осадконакопления, что позволяет предположить, что они откладывались и в мелководной морской обстановке. Однако в современном океане железо находится в таком дефиците, что выступает так называемым лимитирующим питательным веществом - необходимым для жизни элементом, нехватка которого сдерживает биологическую продуктивность. На этом факте даже основана одна из предлагаемых сегодня спорных схем климатического инжиниринга. Идея состоит в том, чтобы распылить в Мировом океане достаточное количество железного порошка, что активизирует процесс размножения и фотосинтеза цианобактерий, которые (если все пойдет согласно плану) будут оседать на дно океана, секвестрируя большое количество углерода и не ввергая в хаос (скрестим пальцы!) всю остальную морскую биосферу. В отличие от сегодняшней морской воды, содержащей лишь следовые количества железа, протерозойские океаны изобиловали железом, о чем свидетельствуют огромные объемы распространения железистых формаций, - представьте себе всю сталь мира, заключенную в автомобилях, самолетах, зданиях, мостах, железных дорогах и т. п.
Именно кислород, этот мятежный газ, впервые выработанный цианобактериями, изменил правила игры в отношении того, что отныне могло и не присутствовать в морской воде. В докислородном режиме железо, извергаемое из глубоководных вулканических жерл, спокойно пребывало в открытом океане в растворенном виде, перемешиваясь без видимого эффекта с натрием, кальцием и другими ионами. Но, как только кислород начал накапливаться на мелководьях, его атомы принялись охотиться за атомами железа, связывать их и тянуть на дно, создавая железистые формации. Кислород очистил океаны от железа, в буквальном смысле превращая его в ржавчину.
Новый мировой порядок
Этот геохимический переворот, называемый геологами Великим кислородным событием, или Кислородной катастрофой, сопровождался радикальным переписыванием атмосферно-гидросферной химической конституции. Присутствие свободного кислорода изменило характер химического взаимодействия между дождевой водой и породами на суше, что отразилось на составе рек, озер и подземных вод. Именно в это время из осадочных отложений исчезли некоторые типы галечников, распространенные в руслах рек архейского эона, в частности галька пирита и богатых ураном минералов, которые стали нестабильными или растворимыми в воде в условиях нового геохимического регламента. И наоборот, на страницах стратиграфической летописи появились новые записи в виде современных оксидных минералов - сульфатов и фосфатов, таких как гипс и апатит. Так зародившаяся жизнь изменила казавшиеся незыблемыми устои древнего минерального царства.
Присутствие свободного кислорода (О2) на поверхности Земли также привело к формированию в стратосфере озонового (O3) слоя, который защитил поверхностную среду от разрушительного действия солнечного ультрафиолетового излучения и значительно расширил границы зоны, доступной для обитания живых организмов. Новые альянсы между кислородом и другими элементами увеличили мобильность ранее дефицитных питательных веществ, таких как азот. Это стимулировало масштабные биологические инновации, в том числе повышение эффективности фотосинтеза, что привело к дальнейшему увеличению производства кислорода. Подобно тому как сегодня прорывные инновационные технологии создают новые рыночные возможности, на Земле были сформированы совершенно новые биогеохимические циклы - глобальные товарные биржи, на которых одноклеточные прокариотические организмы-посредники обеспечивали круговорот огромных объемов углерода, фосфора, азота и серы[70]. В этих условиях крошечный предприимчивый прокариот (получивший позже название "митохондрия"), научился перерабатывать кислород и осуществил стратегическое симбиотическое слияние с более крупной клеткой, основав надцарство эукариот, которое в конечном итоге "населилось" растениями и животными.
Между тем с Великим кислородным событием связана важная загадка, на которую у ученых пока нет ответа: почему между появлением первых фотосинтезирующих форм жизни (3,8 млрд лет назад) и появлением свободного кислорода (около 2,5 млрд лет) прошло так много времени? Одно из возможных объяснений состоит в том, что организмы, сформировавшие строматолиты в формациях Исуа и Варравуна, использовали аноксигенный (без образования кислорода) фотосинтез - на первый взгляд оксюморон для тех, кто знаком с жизнедеятельностью растений. Однако эта метаболическая стратегия до сих пор используется некоторыми бактериями, прячущимися в низкокислородных убежищах, таких как заросшие водорослями стоячие водоемы. Вместо того чтобы соединять углекислый газ (CO2) и воду (H2O) под воздействием солнечного света с образованием сахаров (CH2O) n (где n равно 3 или более) и выделением кислорода (O2), эти микробы производят сахара из CO2 и сероводорода (H2S), газа с запахом тухлых яиц, и выделяют в качестве отходов серу.
Другое объяснение может состоять в том, что микробы в строматолитах действительно производили свободный кислород, но весь его объем столь же эффективно потреблялся при их разложении. Разложение является точной противоположностью фотосинтеза - та же химическая реакция, только в обратном направлении, когда сахара и другие углеродно-водородные соединения, созданные организмами, реагируют со свободным кислородом с образованием углекислого газа и воды (ускоренный вариант этой реакции в виде сжигания углеводородов - излюбленное занятие людей). Таким образом, если фотосинтез и разложение идеально сбалансированы, чистого накопления О2 в атмосфере происходить не будет. Но кажется маловероятным, чтобы такой баланс мог сохраняться на протяжении 1,3 млрд лет, учитывая тот факт, что по крайней мере часть органической материи захоранивалась в осадках без разложения (и в конечном итоге превращалась в те самые ископаемые углеводороды, которые мы так любим окислять).
Наконец, согласно еще одной гипотезе, на протяжении более чем миллиарда лет весь кислород, образовывавшийся в ходе фотосинтеза, тут же вступал в реакцию со склонными к окислению вулканическими газами, особенно сероводородом, которые в больших количествах извергались подводными вулканами. Затем, примерно в конце архея, вероятно, произошел переход к более современному тектоническому режиму с вулканизмом магматических дуг в зонах субдукции, при котором стали преобладать газы с меньшими восстановительными свойствами[71]. Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста и зеленокаменные породы Исуа, через призму современной тектоники плит. Отдельные ревнители униформизма, ссылаясь на малоубедительные косвенные свидетельства на основе анализа цирконов из Джек-Хиллс, даже утверждают, что в гадее Земля выглядела точно так же, как сейчас. Однако многие другие (признаюсь, включая и меня) считают, что мы должны подавить голос Чарльза Лайеля в наших головах и допустить возможность того, что во времена архея и гадея фундаментальная тектоника Земли выглядела иначе.
Прежде всего, твердая оболочка молодой Земли была намного горячее (лорд Кельвин отчасти был прав), что делало невозможной субдукцию океанической коры в ее современном виде. К тому же, при том что архейские породы несут в себе следы столкновений и смятия поверх конвектирующей мантии, структурные особенности их деформации отличаются от тех, что характерны для современных деформированных пород на четко определенных стыках твердых плит. Более горячие и подвижные коровые плиты могли нагромождаться друг на друга и подвергаться частичному плавлению с извлечением компонентов, из которых затем происходило образование гранитной континентальной коры, в то время как нижний слой остаточной плотной породы в виде огромных капель погружался обратно в мантию, как это предполагается в модели дрип-тектоники (от англ. drip - "капля")[72]. Но уже в толщах пород конца архейского эона мы можем распознать элементы современной архитектуры земной коры: континентальные шельфы, зоны субдукции, вулканические дуги и полноценные горные пояса, а это означает, что к тому времени Земля достаточно остыла для того, чтобы сформировать хрупкую внешнюю оболочку. Таким образом, переход от старой тектонической системы к новой вполне мог стать тем самым фактором, благодаря которому потребление кислорода начало отставать от его производства. На самом деле кажется вполне логичным, что тектоническое совершеннолетие Земли по времени совпадает с фундаментальным изменением химического состава ее поверхностной среды.
Хотя Великое кислородное событие привело к кардинальному разрушению устоявшегося геохимического порядка, с точки зрения фактического масштаба оно было не таким уж великим, как предполагает его название. Некоторые металлические элементы-примеси в полосчатых железистых формациях, такие как хром, имеют стабильные изотопы, очень чувствительные к уровню кислорода - как своего рода докембрийские канарейки{9} в неких вневременных угольных шахтах. Так вот, соотношения этих изотопов предполагают, что в раннем протерозое концентрация кислорода в атмосфере составляла лишь небольшую долю - менее 0,1 % - от современного уровня (сейчас на кислород приходится 21 % объема атмосферы)[73]. Нам, существам, живущим в фанерозое, этот мир вряд ли показался бы гостеприимным. Однако с точки зрения химических возможностей переломной является разница между отсутствием свободного кислорода и его присутствием даже в малом количестве, а не разница между "немного" и "немного больше".
Миллиард лет застоя
После потрясений Кислородной катастрофы атмосфера Земли, судя по имеющимся у нас данным, вступила в длительный период геохимической стабильности. Хотя основной этап осаждения железистой формации закончился около 1,8 млрд лет назад, уровень кислорода оставался примерно постоянным, намного ниже нынешнего уровня, на протяжении еще миллиарда лет[74]. Такое устойчивое равновесие (представьте себе национальную экономику, которая на протяжении столетий не испытывает инфляции, рецессий и рыночных потрясений) указывает на удивительный баланс между производством кислорода трудолюбивыми одноклеточными фотосинтетиками и его потреблением ненасытными металлами, сернистыми вулканическими газами и разлагающейся органической материей. По мнению ученых, такая стабильность может объясняться только жесткими ограничительными условиями, например острой нехваткой фосфора - важнейшего питательного вещества для всех форм жизни.
В то время как верхние слои океана постепенно насыщались кислородом, есть свидетельства того, что более глубокие слои оставались в переходном состоянии раннего протерозоя. В таких стратифицированных условиях железосодержащие минералы продолжали забирать из глубоководных слоев драгоценный фосфор, сохраняя его на своей поверхности, - подобно жуликам, которые контрабандой вывозят из бедной страны ценную валюту в подкладке пальто. Это, в свою очередь, вызывало хронический недостаток фосфора в верхних слоях, что сдерживало биологическую продуктивность, ограничивало захоронение органического углерода и в результате препятствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере[75].
Этот "голодный" режим заставлял организмы переходить на диеты с низким содержанием фосфора и развивать новые стратегии рециркуляции. Но во всем остальном эволюция, казалось, выжидала время. Несмотря на относительное биоразнообразие, жизнь по-прежнему оставалась одноклеточной; в океанах процветали планктонные виды, включая некоторых эукариотических гигантов, известных как акритархи, которые достигали 0,8 см в диаметре, а береговые линии по всей планете были покрыты коврами из строматолитов. Этот мирный и спокойный протерозойский эон получил среди геологов неофициальное прозвище "скучного миллиарда лет". Однако это название в духе Гомера Симпсона{10} абсолютно несправедливо и вводит в заблуждение, подобно тому как учебники по истории основное внимание уделяют только войнам, а длительные периоды мира и созидания пропускают как "время, когда ничего не происходило".
Во-первых, такое длительное поддержание равновесия может служить примером того, как нам, людям, следует изменить свои биогеохимические поведенческие модели, чтобы предотвратить надвигающуюся экологическую катастрофу, которая является результатом неконтролируемого потребления ограниченных ресурсов и колоссального дисбаланса между производством и удалением атмосферных газов. В отличие от нас, представителей голоценовой эпохи, земляне в протерозойском эоне "соблюдали" фундаментальные принципы устойчивого существования: весь интенсивный геохимический товарообмен происходил в рамках замкнутых циклов, где отходы одной группы микробных производителей были сырьем для другой.
Во-вторых, именно в ходе этого "скучного" миллиарда лет сформировались прочные ядра современных материков, когда в результате перехода Земли к новому тектоническому режиму произошло соединение блоков древней архейской коры (кратонов) и затем их постепенное обрастание вулканическими дугами. Породы фундамента, находящиеся у меня под ногами в моем родном Висконсине, а также скрытые под чехлом более молодых отложений по всему Среднему Западу и плато Великих равнин, почти все сформированы в ходе протерозойских горообразовательных процессов в течение "скучного" миллиарда лет, когда к древнему Канадскому щиту были присоединены обширные участки континентальной коры (рис. 11). В это, возможно, "скучное", но продуктивное время на Земле шло интенсивное инфраструктурное строительство - еще одна полезная практика, которую следовало бы позаимствовать нам, современным обитателям планеты.
Возможно, потому, что протерозойские породы и их история так хорошо мне знакомы, - некогда великие хребты Пеноки и Барабу в районе Верхнего озера, яростные вулканы над горячими точками в центральном Висконсине, огромный рифт Мидконтинента, почти разрывающий Северную Америку надвое, - "скучный миллиард лет" не кажется мне таким уж далеким временем. Меня охватывает приступ иррациональной печали при мысли о том, что примерно через такой же промежуток времени в будущем, т. е. где-то через 1,5 млрд лет, окно обитаемости для нашей планеты будет закрыто. Солнце, которое постепенно разгорается все ярче (по самым консервативным оценкам, на 0,9 % за 100 млн лет), станет настолько горячим, что океаны начнут испаряться, а повышение концентрации водяного пара в атмосфере запустит бесконтрольный парниковый эффект[76]. Солнечная радиация будет расщеплять молекулы воды на водород и кислород, которые будут улетучиваться в космос. Другими словами, если жизнь на Земле стала возможной 3,8 млрд лет назад, когда закончилась интенсивная метеоритная бомбардировка, к настоящему моменту истекло почти три четверти периода, когда наша планета пригодна для обитания. Тем не менее мы должны быть благодарны за огромное количество отведенного нам времени, которое мы получили благодаря тому, что Земля принадлежит к системе желтой карликовой звезды со сроком жизни 10 млрд лет. Звезды всего вполовину больше Солнца живут в среднем около 3 млрд лет - что по земным меркам равно промежутку времени от рождения планеты до середины "скучного миллиарда лет". Как видите, Земля - настоящий долгожитель.
Самая длинная зима
Возможно, наша планета так бы и продолжала вести размеренный и спокойный протерозойский образ жизни, если бы около 800 млн лет назад новая тектоническая система не согнала бóльшую часть континентальной коры в один большой материк в экваториальной зоне. Геологи называют этот древний суперконтинент Родинией, от русского слова "родина". Как и все континенты, Родиния была лишь врéменной структурой и примерно 750 млн лет назад в результате рифтогенеза начала распадаться на части, что привело к образованию в тропических широтах новых протяженных береговых линий. Реки, питаемые мощными тропическими ливнями, несли осадочный материал и вымываемые из горных пород химические элементы в море, насыщая прибрежные воды питательными веществами и тем самым создавая условия для бурного роста микроорганизмов. Впервые в истории планеты изъятие органического углерода и его захоронение в осадках на континентальных шельфах достигло таких объемов, что привело к резкому снижению концентрации СО2 в атмосфере - и запустило процесс глобального похолодания.
В полярных регионах начали разрастаться нетающие ледяные шапки, которые увеличивали альбедо, или отражательную способность поверхности Земли, что, в свою очередь, способствовало ее дальнейшему охлаждению - классический пример положительной обратной связи. Несмотря на расширение ледникового покрова, углекислый газ продолжал в больших количествах выводиться из атмосферы через захоронение органического углерода и интенсивное химическое выветривание горных пород в низкоширотных регионах Родинии (посредством того же механизма Гималаи сократили концентрацию атмосферного СО2 и способствовали охлаждению Земли в кайнозое). Когда площадь ледникового покрова достигла критической точки, эффект альбедо вверг планету в состояние вечной зимы, превратив ее в "снежный ком".
Что именно произошло с Землей в криогении - одном из немногих периодов протерозоя, который упоминается довольно часто, - вызывает в геологическом сообществе жаркие споры. Нет лишь разногласий по поводу того, что в климатической системе планеты произошел серьезный сбой. Это ясно подтверждается геологической летописью: практически на всех континентах породы того периода представляют собой ледниковые (гляциальные) отложения - либо несортированную смесь глинистого вещества с валунами различных пород, оставленную ледником на суше, либо тонкослоистые морские отложения, перемежающиеся с окатанными обломками пород, принесенными айсберговым рафтингом (разносом). Поскольку значительная часть воды была превращена в лед, уровень моря должен был снизиться на десятки метров, обнажив обширные участки континентов для эрозии, которая продолжалась по крайней мере до тех пор, пока не наступила глубокая ледниковая эпоха и все поверхностные процессы не приостановились. Великое несогласие, наблюдаемое в Большом каньоне, между метаморфическими протерозойскими породами, такими как сланцы Вишну, и первой стратифицированной единицей - кембрийским песчаником Тапитс - отражает длительный перерыв в осадконакоплении в тот период, когда Земля была "снежным комом". Таким образом, если наступление резкого похолодания в конце протерозоя является общепризнанным фактом, то его конкретные детали - глубина промерзания, выживание биосферы и то, каким образом Земля вышла из гипотермического состояния, - служат предметом горячих научных споров.
Весна жизни
В конце концов Земля снова начала нагреваться. Возможно, ей помогло дыхание вулканов, которые продолжали извергаться, в то время как другие геологические процессы остановились, и понемногу, за тысячи лет, вулканы вывели Землю из ледяной комы. Или же внезапная взрывная "отрыжка" давно секвестрированного биогенного метана с морского дна превратила ледяную планету в парник всего за несколько месяцев или лет. Уровень разрешения геологической летописи и точность существующих методов датирования пока не позволяют нам узнать такие детали.
В любом случае окончание периода "снежного кома" было ознаменовано тем, что можно было бы назвать Великой аэрацией, когда произошел второй большой скачок в повышении уровня свободного кислорода и формировании четвертой - современной - атмосферы Земли. Кислородчувствительные микроэлементы в осадочных породах наконец-то стали вести себя по-современному, что свидетельствует о возрастании концентрации свободного кислорода (O2) с доли процента до почти близкой к нынешней. К сожалению, нам неизвестны подробности, как именно произошел этот переворот в стабильном квазиоксигенированном протерозойском мире. Возможно, массированный приток в океаны фосфора из раздробленного и перетертого материала горных пород, измельченных движущимися ледниками, привел к взрывному росту морской жизни[77]. Или же интенсивное смешивание верхних и глубоких слоев воды в океанах в переходный период между ледниковым и парниковым миром нарушило устойчивую геохимическую стратификацию, преобладавшую на протяжении 1,5 млрд лет.
Благодаря даже небольшому повышению концентрации кислорода организмы, использовавшие его в своих метаболических процессах, значительно повысили эффективность извлечения энергии из окружающей среды и получили возможность вырастать до гораздо бо́льших размеров, чем когда-либо прежде. В пределах миллиона лет после того, как Земля перестала быть "снежным комом", она была заселена необычной новой экосистемой мягкотелых макроскопических организмов, называемой эдиакарской биотой (или эдиакарской фауной). Эдиакарские (вендские) окаменелости найдены в осадочных отложениях в разных частях мира, в том числе в Южной Австралии, регионе Белого моря в России, графстве Лестершир в Англии и на острове Ньюфаундленд в Канаде. Это были необычные создания, похожие на стеганое одеяло, по форме напоминающие либо летающие диски фрисби, либо листья папоротников высотой до 1 м с прицепкой, с помощью которой они прикреплялись к морскому дну. Отсутствие у них кишок и минерализованных раковин свидетельствует о том, что они обитали в мирном подводном царстве, где преобладал осмотический способ питания и не было угрозы хищничества. Некоторые из этих организмов могли быть предшественниками более поздних и знакомых нам типов примитивных морских животных, таких как плеченогие (или брахиоподы). Но большинство представителей эдиакарской фауны, судя по всему, были результатом ранних эволюционных экспериментов по созданию макроскопических - многоклеточных - форм жизни и не оставили после себя потомков среди современных типов животных.
Но эдиакарские организмы недолго пребывали в эволюционном авангарде. В течение следующих 40 млн лет на морском дне развернулась интенсивная анатомическая перестройка, известная как кембрийский взрыв. Появление первых плотоядных запустило гонку вооружений между хищниками и их жертвами, которые с тех пор старались перехитрить друг друга, как Хитрый койот и Дорожный бегун{11}. Жесткие защитные оболочки из карбоната кальция стали обязательной экипировкой для крошечных существ, которые легко могли стать жертвами, тогда как крупные хищники обзаводились специализированным плавательным снаряжением и приспособлениями для убийства.
Впрочем, темпы эволюции в ходе кембрийского взрыва вызывают некоторые разногласия, сталкивая лбами палеонтологов и биологов, использующих геномный подход для определения того, когда на древе жизни появились те или иные ветви. Палеонтологическая летопись на основе окаменелостей предполагает, что промежуток времени между 540 и 520 млн лет назад был периодом беспрецедентных по своей скорости и разнообразию биологических инноваций. Однако эта гипотеза расходится с данными молекулярных часов - так называется метод датирования филогенетических событий, основанный на предположении о том, что гены, кодирующие белки, накапливают эволюционные изменения с практически постоянной скоростью. Большинство оценок на основе этого метода указывает на то, что царство животных, первыми представителями которых предположительно были губки, возникло в конце протерозоя 750-800 млн лет назад и что кембрийское событие было вовсе не "взрывом", а медленным, растянутым во времени процессом[78]. Однако эта датировка означает, что зарождение животного мира началось в мрачную и холодную ледниковую эпоху, когда Земля была "снежным комом" и мало походила на уютную колыбель. Это разногласие в очередной раз подчеркивает любопытное культурное различие между "полевыми" палеонтологами, которые привыкли иметь дело с невероятным своеобразием ископаемых форм жизни и потому готовы принять идею о неравномерных темпах эволюции, и "лабораторными" молекулярными биологами, которые рассматривают клеточную структуру как механизм, а потому более склонны скатываться к ортодоксальному униформизму, чем их коллеги-геологи. Таким образом, хотя сегодня докембрий перестал быть темным, неизведанным периодом в истории Земли, каковым он являлся для геологов Викторианской эпохи, наше понимание того, каким образом произошел переход к кембрийскому миру, по-прежнему остается довольно смутным.
В большинстве учебников по палеонтологии кембрийский взрыв рассматривается как "начало истории", как прелюдия к захватывающему повествованию о трилобитах, двоякодышащих рыбах, каменноугольных болотах, тираннозаврах, птеродактилях, мегатериях, мамонтах и, наконец, о гоминидах. Между тем во многих важнейших аспектах кембрийский мир не так уж сильно отличался от современной биосферы: почти все основные таксономические группы (типы) животных к тому времени уже появились на сцене, и на протяжении следующих 500 млн лет эти игроки занимались тем, что организовывались в сложные кислородозависимые экосистемы с многоуровневыми пищевыми сетями, заселяли материки и осваивали небо, развивая все более специализированные адаптации к среде обитания, и периодически становились жертвами экологических катастроф, когда слишком быстрые изменения окружающей среды, и особенно атмосферы, превышали их адаптационные способности.
Вырванные страницы
В XIX в. геология почти всецело сводилась к палеонтологии, и даже на момент публикации Дарвином его знаменитого труда "Происхождение видов" в 1859 г. демаркация геологического времени была полностью основана на ископаемых остатках. Геологи Викторианской эпохи педантично каталогизировали последовательные изменения в родословных линиях ископаемых, таких как спиральные аммониты, витиеватый узор раковин которых так же характерен для определенных периодов времени, как фижмы или двухцветные ботинки. Занимаясь этим, они обнаружили в стратиграфической летописи странные моменты, когда происходила резкая смена в составе окаменелостей, то есть, образно говоря, не просто постепенно менялись детали костюма, но прежний состав персонажей на сцене фактически заменялся новой труппой. Проанализировав эти разрывы последовательности окаменелостей, в 1841 г. Джон Филлипс - племянник уже известного нам строителя каналов Уильяма Смита, автора концепции руководящих ископаемых, - предположил, что в истории земной жизни было три великие главы: палеозойская, мезозойская и кайнозойская эры, т. е. эры древней, средней и новой жизни соответственно. (О том, что жизнь появилась еще в архее, за три с лишним миллиарда лет до начала палеозоя, стало известно только через 100 лет.)
Филлипс был сиротой, взятым на воспитание Уильямом Смитом, и ребенком сопровождал своего энергичного дядюшку в его многочисленных экспедициях по изучению окаменелостей. Прозорливый и талантливый палеонтолог, он, однако, выступил против дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора, утверждая, что удивительное соответствие между живыми организмами и их средой обитания является свидетельством осуществления божественного плана (который, видимо, предусматривал периодические радикальные переделки). В конце своей карьеры Филлипс объединил силы с лордом Кельвином, чтобы опровергнуть утверждение Дарвина о "неимоверной продолжительности геологических эпох"[79]. Как бы то ни было, это заблуждение не умаляет значения его провидческой гипотезы о трех великих главах в истории эволюции животного мира.
Дарвин, разумеется, досадовал на Филлипса, но не мог отрицать наличия внезапных озадачивающих разрывов в палеонтологической летописи. Уверенный в непрерывности и равномерности эволюции, он отказывался видеть в них свидетельство природных катастроф. Его теория предполагала постоянное вымирание видов - непрерывную "выбраковку" менее приспособленных видов в результате естественного отбора. Дарвин объяснял обнаруженные внезапные исчезновения следов большинства ранее существовавших видов из осадочных последовательностей не их катастрофическим вымиранием, а прерывистым характером осадконакопления. В "Происхождении видов" он посвятил целую главу "неполноте геологической летописи", настаивая на том, что осадочные накопления отражают прошедшее время лишь частично и что "в пределах каждой последовательной формации существуют, согласно мнению большинства геологов, перерывы огромной продолжительности"{12}. Дарвин также предполагал, что темпы седиментации (когда та вообще происходит) могут быть недостаточно быстрыми для того, чтобы зафиксировать ход эволюции: "Хотя каждая формация может обозначать собой весьма длинный ряд лет, но каждая из них, вероятно, коротка сравнительно с периодом времени, необходимым для изменения одного вида в другой"{13}. Еще одно его пророческое предположение состояло в том, что доступная нам палеонтологическая летопись искажена тем фактом, что мы можем найти окаменелости только в тех обстановках, где в свое время происходило накопление осадков (в иных случаях осадочные породы попросту отсутствуют), но эти обстановки не всегда совпадали с местами обитания живых существ. Дарвиновские объяснения разрывов в летописи окаменелостей доминировали до середины XX в., когда геохронологическая шкала была уже достаточно хорошо откалибрована, чтобы бесспорно доказать тот печальный факт, что порой даже в благополучных экосистемах могут происходить ужасные катастрофы. Теперь мы знаем, что с начала кембрийского периода произошло по меньшей мере пять крупных массовых вымираний и множество менее масштабных. После каждого из них животное царство на Земле постепенно восстанавливалось, но безвозвратно менялось, поскольку оставшиеся представители видов, выживавшие порой не столько благодаря своей приспособляемости, сколько по счастливой случайности, не подходили на роль основателей новой биосферы в изменившемся мире.
Апокалипсис сегодня
При массовом вымирании скальпель естественного отбора, обычно кропотливый, аккуратно отсекающий одних особей и сохраняющий других на основе мельчайших различий, таких как оттенки в окраске крыльев у бабочек или небольшие отличия в форме клюва у вьюрков, превращается в эволюционное подобие мачете, которое стремительно и без разбора уничтожает целые таксономические группы - не просто отдельные особи или виды, но целые рода, семейства и отряды - почти на всем пространстве их обитания. Причины массового вымирания, как правило, отличаются от факторов, стоящих за рутинным прореживанием в результате естественного отбора, - аналогично тому, как естественная смертность людей из-за несчастных случаев или заболеваний имеет мало общего с массовой гибелью в ходе войн и эпидемий. Палеонтологи оценивают тяжесть этих событий по такому количественному показателю, как величина отклонения от фоновой скорости исчезновения для разных групп. Например, фоновая скорость вымирания амфибий в кайнозое составляет менее 0,01 вида в год, или примерно одна лягушка или саламандра в столетие[80]. Массовые вымирания подразумевают, что между обычно соразмерными темпами эволюции и изменениями окружающей среды, идущими друг с другом в ногу так же, как тектоника и эрозия, происходит резкая рассинхронизация. Если постепенные геологические изменения, такие как формирование горных поясов, разделение континентов и т. п., вдохновляют биосферу на инновации, то резкие, масштабные перемены могут стать разрушающим фактором. Когда изменения окружающей среды по каким-либо причинам ускоряются настолько, что биосфера не в силах за ними угнаться, начинается массовое вымирание.
Интересно вспомнить гипотезы о причинах мел-палеогенового вымирания из учебников по исторической геологии, по которым мы учились в университете в начале 1980-х гг. - незадолго до того, как гипотеза Альвареса об астероидном воздействии была принята геологическим сообществом. К тому времени прежнее представление о динозаврах как о тупых и медлительных созданиях, косвенно подразумевавшее, что их вымирание было фактически "предопределено", доказало свою несостоятельность и сменилось пониманием того, что это были проворные теплокровные животные, в некоторых случаях социальные и довольно умные. Уничтожить таких животных не так-то просто, поэтому стало очевидно, что ни один из предполагаемых факторов их кончины - глобальное похолодание, смертельная эпидемия, геноцид со стороны млекопитающих-яйцеедов, аллергия на первые цветковые растения (!) - не мог оказать достаточно мощного и стремительного воздействия, чтобы привести к такому исходу. Единственная упоминавшаяся тогда внеземная гипотеза гласила, что динозавры погибли от космической радиации, выброшенной при вспышке далекой сверхновой звезды и достигшей Земли как раз в тот момент, когда происходила инверсия геомагнитного поля и планета была почти не защищена от космического излучения (т. е. они в буквальном смысле слова умерли под несчастливой звездой).
Вспоминая эти гипотезы, невольно испытываешь ностальгию по добрым и уютным временам, когда над миром не маячил призрак апокалипсиса. Дело в том, что теории о массовых вымираниях всегда появляются параллельно с другими источниками экзистенциальной тревоги в обществе: геологическое прошлое часто служит своего рода экраном, на который мы проецируем наши самые глубокие страхи. Это вовсе не говорит о ненаучности гипотез о массовых вымираниях, однако ужас перед новыми видами апокалипсиса невольно разжигает наше воображение в отношении возможных сценариев катаклизмов прошлого. Геологи - это обычные люди, живущие в конкретном обществе в конкретный исторический момент, и они не могут не находиться под влиянием доминирующего духа времени. По сравнению с XX в. и началом XXI в. с их паническими страхами, Викторианская эпоха была полна оптимистичных надежд на то, что научно-технический прогресс значительно улучшит жизнь большей части человечества. Таким образом, помимо лайелевского табу на геологический катастрофизм (особенно старомодного библейского типа), возможно, тот факт, что викторианцы попросту не были одержимы видением конца времен, объясняет тогдашнее отсутствие в научном мире моды на Армагеддон.
Но к 1980 г. устрашающие технологические достижения, которых не могли предвидеть люди Викторианской эпохи, поставили под угрозу существование человеческой цивилизации, и именно в этот тревожный момент в конце холодной войны отец и сын Альваресы выдвинули гипотезу астероидного воздействия. Описание того, как падение на Землю массивного метеорита окутало планету саваном из выброшенных в стратосферу пыли и сажи, который преградил солнечному излучению путь на ее поверхность и заблокировал фотосинтез, вызвав массовый голод, было словно прямиком взято из сценариев "ядерной зимы", предсказанных в 1970-х гг. Карлом Саганом и голландским ученым, специалистом в области химии атмосферы, Паулем Крутценом. Катастрофическое извержение вулкана Сент-Хеленс в том же году наглядно проиллюстрировало пепельное светопреставление в локальном масштабе.
К 1990 г., когда был обнаружен кратер Чикшулуб, Берлинская стена уже пала, но на смену ослабевшей угрозе ядерной катастрофы пришло растущее осознание того, что негативное антропогенное воздействие на экологию однажды может привести к гибели человечества. Было доказано, что причиной начавшейся деградации лесов в Новой Англии (США) и в Скандинавии являются кислотные дожди - результат выбросов в атмосферу серы из-за продолжавшегося десятилетиями сжигания угля. Стало вдруг ясно, что избирательный характер вымирания морских видов в конце мелового периода, когда оснащенные известковистыми раковинами организмы, обитавшие в глубоководных условиях, пережили катастрофу с меньшими потерями, чем обитатели мелководий, говорит о том, что это могло быть вызвано поверхностным воздействием на океан серной кислоты. А ведь горные породы в районе юкатанского кратера Чикшулуб заключали в себе много серы, содержащейся в мощных слоях минерала ангидрита - безводного сульфата кальция, который при ударе астероида, вероятно, испарился, был выброшен в атмосферу, а затем выпал в виде едкого кислотного дождя. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г., которое было в 10 раз мощнее извержения Сент-Хеленс, дало возможность лучше понять эти процессы. Выброшенного в стратосферу количества сульфатных частиц оказалось достаточно, чтобы на два года затормозить неуклонное повышение глобальной температуры, вызванное ростом концентрации парниковых газов. Огромные объемы сульфатной породы, выброшенные из гигантского кратера Чикшулуб, могли вызвать гораздо более сильное похолодание - губительное для организмов, привыкших к теплому меловому миру, - после чего выпасть на Землю в виде адского кислотного дождя. Другими словами, не просто пыль, а попавшая в атмосферу сера могла быть истинным виновником мел-палеогенового вымирания.
Но многих палеонтологов не удовлетворило и это объяснение. Едкий кислотный дождь должен был быть особенно токсичным для пресноводных экосистем, но выживаемость видов в этих водоемах, в том числе лягушек и других земноводных, очень чувствительных к изменению химического состава воды, была близка к 90 % - намного выше, чем у обитающих на суше видов, всего 12 % из которых пережили катаклизм. Поскольку ни один из предполагаемых механизмов не может объяснить некоторые детали палеонтологической летописи мел-палеогенового вымирания, некоторые палеонтологи считают, что астероид не был единственным убийцей, а лишь нанес добивающий удар глобальной экосистеме, уже ослабленной другими вредоносными факторами. В качестве наиболее вероятного пособника называется вулканическая активность, в частности извержения, приведшие к образованию Деканских траппов - обширной магматической провинции в современной Индии, покрытой слоями излившегося базальта общей мощностью более 1,6 км. На протяжении десятков тысяч лет, предшествовавших массовому вымиранию, сочащаяся лава выбрасывала в атмосферу огромные количества углекислого газа, уже поставив мир на грань экологической катастрофы к тому времени, когда ему был нанесен смертельный удар из космоса. В результате испарения мощной толщи известняков в Чикшулубе в атмосферу было выброшено еще больше двуокиси углерода, так что после нескольких лет сурового холода, вызванного облаком пыли и пепла, климат стремительно качнулся в другую сторону из-за парникового эффекта, принеся на Землю жару и засуху. В современных реконструкциях конца мелового периода будоражащий воображение астероид-убийца вынужден поделиться своей сомнительной славой с куда менее гламурными парниковыми газами.
Губительный воздух
После выдвижения гипотезы о мел-палеогеновом катаклизме изучение массовых вымираний превратилось в самостоятельный и модный раздел палеонтологии. В свете вновь "узаконенного" катастрофизма стали делаться попытки свести все массовые исчезновения видов к внеземному воздействию. Блестящий палеонтолог Джек Сепкоски из Чикагского университета, который первым признал потенциал работы с большими данными в палеонтологии, утверждал, что, проанализировав тысячи каталогов ископаемых остатков, выявил регулярный цикл частоты вымираний продолжительностью примерно 26 млн лет. Проявив своего рода неоуниформизм, он предположил, что эти циклические вымирания, возможно, связаны с периодическим прохождением Земли через спиральные рукава галактики, которые могут дестабилизировать орбиты комет[81]. Концепция Сепкоски стимулировала активные поиски следов крупных внеземных воздействий во время других массовых вымираний, превратив исследование ударных кратеров из периферийной дисциплины в геологический мейнстрим. Но за три десятилетия так и не было найдено убедительной связи между каким-либо другим крупным биологическим кризисом и столкновением Земли с астероидом или кометой. Поэтому нам остается лишь взглянуть в лицо отрезвляющему факту, что, по всей видимости, так уж устроена наша планета, что ее собственные процессы порой могут ставить жизнь на ней на грань исчезновения.
Помимо мел-палеогенового катаклизма, другие массовые вымирания в хронологическом порядке включают: (1) ордовикско-силурийское, в конце ордовикского периода, около 440 млн лет назад, ставшее первым крупным сокращением видов после кембрийского взрыва, (2) пара близко расположенных вымираний в конце девонского периода, примерно 365 млн лет назад, когда макроскопические организмы начали осваивать сушу, (3) "холокост" в конце пермского периода, 250 млн лет назад, крупнейшее из всех массовых вымираний, которое Джон Филлипс метко обозначил как конец палеозойской эры древней жизни, и (4) триасово-юрское вымирание, еще один жестокий удар по биосфере, нанесенный всего через 50 млн лет после пермского катаклизма. В зависимости от того, как измерять масштабы этих массовых убийств (по количеству уничтоженных видов, родов или семейств), вымирание в конце мела, в том числе и динозавров, занимает всего лишь четвертое или пятое место.
Хотя эти бедствия отличаются между собой в том, что касается обстоятельств и жертв, между ними есть разительное сходство (см. приложение III). Во-первых, все они, включая и мел-палеогеновое вымирание, сопровождались резким изменением климата и все, кроме девонских событий (когда произошло значительное остывание тропических морей), - быстрым потеплением. Во-вторых, все они были связаны с серьезными нарушениями углеродного цикла и изменением содержания углерода в атмосфере вследствие необычайно активного вулканизма (пермь, триас, мел) и/или из-за дисбаланса между секвестрацией углерода биосферой и его высвобождением из накопленных углеводородов (ордовик, девон, пермь, триас). В-третьих, все это влекло за собой быстрые изменения в химическом составе морской воды, в том числе повышение ее кислотности, что пагубно отражалось на секретирующих кальцит организмах (пермь, триас, мел) и/или приводило к широкому распространению зон аноксии - мертвых зон с острой нехваткой кислорода, которые удушают почти все живое, кроме любящих серу бактерий (ордовик, девон, пермь). За каждым массовым вымиранием следовал период продолжительностью от сотен тысяч до миллионов лет, когда на Земле процветали только микробы, в то время как остальная часть биосферы пыталась оправиться от катаклизма и, образно говоря, встать на ноги (или вернуться в свои раковины). Эти катастрофы бросают вызов нашему тщеславному представлению о человеческом виде как о венце творения, триумфальной кульминации 3,5 млрд лет эволюции. Жизнь бесконечно изобретательна, непрерывно экспериментирует с новыми формами, но ее представление о прогрессе не всегда соответствует нашему. Для нас, млекопитающих, мел-палеогеновое вымирание стало счастливым событием, расчистившим нам путь в золотой век. Но, если посмотреть на историю биосферы с точки зрения прокариотов, а не многоклеточных организмов, то эти массовые катаклизмы превращаются в незначительные события, едва ли достойные упоминания. Даже сегодня прокариоты (бактерии и археи) составляют не менее 50 % всей биомассы на Земле[82]. Земная биосфера всегда была и остается "микрократией", в которой доминируют крошечные организмы. В условиях, когда более крупные и развитые формы жизни терпят неудачу, бесконечно приспособляющиеся микробы, эволюционные темпы которых измеряются месяцами, а не тысячелетиями, стремительно осваивают новую среду, возвращая себе многовековое господство над планетой.
Но, пожалуй, наиболее важное сходство состоит в том, что ни одно из массовых вымираний, даже относительно "чистый" мел-палеогеновый катаклизм, нельзя полностью списать на какую-либо одну причину: во всех них были замешаны быстрые изменения сразу в нескольких геологических системах, которые, в свою очередь, вызывали побочные эффекты в других. В некотором смысле это обнадеживает, так как означает, что для такой масштабной дестабилизации биосферы требуется "идеальный шторм" из множества сошедшихся факторов. Тревожит то, что многие из этих неблагоприятных факторов - парниковые газы, нарушение круговорота углерода, закисление океана и аноксия - уже присутствуют на нынешней Земле. И если надвигающаяся экологическая катастрофа действительно обусловлена сразу многими причинами, то это делает невозможным не только точные прогнозы, но и поиск "серебряной пули" - простого и быстрого решения.
История земной атмосферы напоминает нам, что небо над нашими головами - не единственное в своем роде и не вечное. Даже длительные периоды стабильности могут прерываться неожиданными катаклизмами, когда подспудно набиравший силу ветер перемен обрушивается на планету с захватывающей дух внезапностью и мощью (тающие на глазах ледники Шпицбергена - лишь малый тому пример). Ударные волны таких потрясений прокатываются по всем экосистемам на всех уровнях, нарушая устоявшиеся биогеохимические циклы. Организмы, слишком тесно связанные со старым миропорядком, массово погибают или вовсе исчезают с лица Земли, после чего бессмертные микробы принимаются неспешно наводить порядок и устанавливать новый свод правил для выживших. Играть с составом земной атмосферы - опасное дело: неуправляемые разрушительные силы могут материализоваться буквально из воздуха.
Глава 5. Великое ускорение
Уничтожать деревья может любой дурак: они не могут от вас убежать.
Нечаянные вандалы
В большинстве американских университетов, чтобы получить диплом геолога, вам нужно пройти обряд посвящения под названием "полевой лагерь". Традиционно этот обряд представляет собой шестинедельную экспедицию в один из западных штатов, который щедро наделен сложным рельефом и изобилием греющихся под солнцем обнаженных пород. Будущие геологи учатся наносить на карту пачки пород и минеральные залежи, составлять стратиграфические колонки, рисовать геологические разрезы и интерпретировать морфологию рельефа. В прежние времена полевой лагерь был суровым испытанием, призванным "сделать из мальчиков мужчин". К счастью, преподаватели Миннесотского университета, где я училась, придерживались более просвещенных взглядов на жизнь.
Хотя Миннесота и сама весьма интересна в геологическом отношении, наш полевой лагерь находился у подножия живописного горного хребта Савач в центральном Колорадо. Раз в неделю нам выделяли законный выходной, и в один из таких дней сладкой свободы мы с друзьями отправились в пеший поход в горы, чтобы исследовать старый пегматитовый рудник, о существовании которого мы случайно узнали. Пегматиты - экзотические магматические горные породы, которые славятся присутствием в них огромных кристаллов редких минералов разнообразной расцветки, а также все больше ценятся сегодня как источник редкоземельных элементов, используемых в высокотехнологичных батареях, мобильных телефонах и цифровых носителях информации. Пегматиты образуются на самом последнем этапе затвердевания некоторых гранитных магм, когда комбинация неполного остывания и высокого содержания магматических газов создает идеальные условия для формирования кристаллов, позволяя им расти во много раз быстрее, чем обычно. Нормальные кристаллы кварца или полевого шпата, образующиеся в магматической камере под вулканом, таким как Сент-Хеленс, неторопливо увеличиваются в размерах примерно на 0,6 см за столетие[83]. По сравнению с ними кристаллы пегматита можно сравнить с детенышами синих китов в минеральном мире, которые растут буквально как на дрожжах - на несколько сантиметров в год[84]. Несмотря на свою способность к быстрому росту, пегматиты встречаются довольно редко и по большому счету не являются возобновляемыми ресурсами. Целью нашего похода были залежи древнего пегматита, образовавшегося в мезопротерозойскую эру, не менее 1,5 млрд лет назад, задолго до появления современных Скалистых гор.
Подойдя к заброшенному руднику, мы ненадолго замешкались перед грозной табличкой "Проход воспрещен", но потом осторожно прошли мимо вереницы отвалов пустой породы к обширной выемке на склоне изуродованного взрывами холма. И там нашему взору неожиданно предстало чудо, которое фанатики пегматита (есть такая особая порода минералогов) называют самоцветным карманом. Мы словно шагнули внутрь старинного пасхального яйца, разукрашенного пастельной сахарной глазурью: гигантские кристаллы белого полевого шпата в обрамлении скоплений пурпурной слюды (лепидолита) перемежались гексагональными призмами розового и зеленого турмалина. Некоторые из этих турмалинов казались идеальными самоцветными миниатюрами арбузных срезов с тонкой зеленой кожурой и ярко-розовой сердцевиной. Всех нас мгновенно охватила инстинктивная жадность, желание унести с собой как можно больше этих сокровищ. Мы принялись долбить камни своими геологическими молотками. Но зубила молотков были слишком тупыми, предназначенными для отбивания горных пород, а не для извлечения хрупких кристаллов. Мне удалось выковырнуть несколько маленьких темно-розовых турмалинов, после чего я увидела главный приз: идеальный полихромный кристалл арбузной раскраски длиной около 8 см. Он находился в неудобном месте, почти у потолка выемки, где не было возможности как следует прицелиться и размахнуться молотком, но я была полна решимости добыть сокровище. Я уже представляла, как буду хвастаться трофеем дома, как вдруг под одним неловким ударом молотка мой прекрасный самоцвет раскололся вдребезги.
В этот миг я опомнилась, с меня словно спали злые чары, охватившие нас, когда мы вошли в самоцветный карман. Я опустила молоток и отошла в сторону. За несколько лет погружения в мир геологии моему пониманию постепенно открылась вся невероятная глубина времени, и теперь я со всей ясностью осознала, что в минутном порыве алчности беспечно уничтожила изысканную, непостижимо древнюю вещь, которая была свидетелем трети земной истории, пережив бо́льшую часть "скучного" миллиарда лет, ледниковый период, когда наша Земля была "снежным комом", появление животных, великие вымирания, образование Скалистых гор. Я с отвращением смотрела на учиненный нами разгром и испытывала острое чувство вины за соучастие в нем.
Теперь я чувствую то же самое, наблюдая за кончиной ледников на Шпицбергене и за все более анемичными зимами у нас в Висконсине, так как понимаю, что в этом есть и моя доля вины - как человека, который любит путешествовать по миру и долго нежиться под горячим душем, и в более широком смысле - как члена общества, болезненно зависимого от ископаемого топлива. На протяжении срока жизни моего поколения мы, как варвары, бездумно вторгались в древние экосистемы и формировавшиеся миллионы лет биогеохимические циклы и запустили изменения, которые уже имели печальные прецеденты в геологическом прошлом и в будущем чреваты непредсказуемыми, во многом мрачными последствиями.
Альманах антропоцена
В какой-то момент в прошлом веке мы пересекли порог, за которым темпы обусловленных антропогенным влиянием изменений окружающей среды превзошли скорость изменений, вызванных естественными геологическими и биологическими процессами. Этот переломный момент ознаменовал собой начало новой эпохи в истории Земли - антропоцена. Этот неофициальный пока термин был придуман в 2002 г. ученым Паулем Крутценом, лауреатом Нобелевской премии в области химии за исследование проблемы образования и разрушения озонового слоя, и быстро вошел в научный обиход и популярный лексикон как краткое наименование того беспрецедентного периода времени, когда человеческая деятельность начала оказывать заметное влияние на поведение планеты.
В 2008 г. группа стратиграфов из Геологического общества Лондона в небольшой статье привела количественные аргументы в пользу выделения антропоцена в качестве формальной единицы геохронологической шкалы[85]. Авторы перечислили пять отчетливо выраженных геологических процессов, темп которых увеличился как минимум вдвое в результате антропогенной деятельности:
• эрозия и седиментация - в результате человеческой деятельности их темпы выросли на порядок (в 10 раз) по сравнению с теми, за которые ответственны все реки мира;
• повышение уровня моря - на протяжении последних 7000 лет было близко к нулю[86], а сейчас составляет около 0,3 м в столетие, и эта цифра предположительно удвоится к 2100 г.;
• химический состав Мирового океана - стабильный на протяжении многих тысячелетий, сейчас меняется: происходит закисление, значение рН стало на 0,1 меньше, чем сто лет назад;
• темпы вымирания видов - в настоящее время в 1000-10 000 раз превышают естественные фоновые показатели[87].
И разумеется, самый ярко выраженный признак:
• концентрация углекислого газа в атмосфере - превысила 400 ppm, что является самым высоким показателем за последние 4 млн лет (до наступления ледникового периода), а его антропогенная эмиссия превосходит выбросы всех вулканов мира в 100 раз[88].
Другие авторы отмечают, что из-за стока сельскохозяйственных удобрений поступление фосфора и азота в озера и морские прибрежные воды, приводящее к образованию аноксических (бескислородных) мертвых зон, выросло более чем в два раза по сравнению с естественными показателями[89]. А через сельское хозяйство, вырубку и сжигание лесов и другие виды землепользования человек сегодня распоряжается четвертью чистой первичной продуктивности - общего объема продукции, создаваемой фотосинтетическими усилиями растений, - на суше[90].
Принимая во внимание эти неоспоримые факты, большинство геологов считают оправданным и полезным выделение антропоцена в самостоятельную эпоху на геохронологической шкале наравне с плейстоценом (ледниковой эпохой, продолжавшейся от 2,6 млн до 11 700 лет назад) и голоценом (по сути, эпохой человеческой истории). Масштабы антропогенных планетарных изменений, "достигнутые" менее чем за столетие, сравнимы с таковыми в ходе великих массовых вымираний, которые отмечали собой другие рубежи в геологической истории. Но, за исключением вымирания в конце мелового периода, когда главным триггером стало астероидное воздействие, остальные катастрофы разворачивались на протяжении десятков тысяч лет.
В настоящее время вопрос об официальном статусе антропоцена рассматривается Международной комиссией по стратиграфии - этим суровым парламентом хранителей времени, и разногласия касаются в основном бюрократических тонкостей, в частности того, как определить начало антропоцена. Должно ли оно быть отмечено глобальным стратотипическим разрезом и точкой (ГСРТ, или "золотым гвоздем"), как границы других подразделений геохронологической шкалы? Так, ГСРТ нижней границы голоцена представляет собой особый слой в Гренландском ледяном щите, изотопный состав которого сигнализирует о начале голоценового потепления[91]. Лед не так долговечен, как горные породы, но этот слой находится на глубине более 1400 м под поверхностью, поэтому, по крайней мере пока, защищен от таяния. (Кроме того, образец этого ледяного слоя хранится в морозильной камере Копенгагенского университета.) Наступление антропоцена также может быть отмечено некой отличительной сигнатурой в полярных льдах, например всплеском концентрации необычных изотопов, являющихся постыдным наследием, "алой буквой позора", оставленной атмосферными испытаниями ядерных бомб в 1950-е и 1960-е гг. Но этот приповерхностный лед очень скоро может стать жертвой антропоценового потепления; сегодня ледниковые архивы исчезают по всему миру с тревожной скоростью. Так, ледяная шапка Келькайя в Перуанских Андах потеряла 1600-летний слой льда всего за два последних десятилетия, что лишило нас высокоразрешающей погодной летописи со времен культуры Наска[92]. Прежнее значение слова "ледяной" как "застывший и неизменный" все больше превращается в анахронизм: сегодня ледники становятся одними из самых изменчивых систем на нашей планете.
Поэтому некоторые геологи предлагают сделать для антропоцена исключение и определить его официальное начало календарным годом, например 1950-м, а не граничной линией в осадочной летописи. В конце концов, мы, люди, единственные, кого волнует этот вопрос, и, пока мы существуем, мы можем напоминать друг другу об этой дате. Если же однажды мы исчезнем с лица Земли, вряд ли кого-то будут интересовать подобные научные проблемы. Точное начало антропоцена не так важно, как сущность этого феномена.
Более тонкий момент для геологов заключается в том, что сама идея антропоцена говорит о фундаментальном разрыве с мировоззренческими основами геологической науки, заложенными Геттоном и Лайелем. Гениальное озарение Геттона состояло в том, что прошлое и настоящее не являются отдельными мирами, управляемыми разными законами, но связаны между собой непрерывностью геологических процессов. А значительная часть фундаментального труда Лайеля "Принципы геологии" посвящена разубеждению читателя в том, что в прошлом геологические изменения происходили гораздо быстрее, чем в настоящем. Концепция антропоцена утверждает как раз обратное: что сегодня процессы протекают гораздо быстрее, чем в прошлом. В попытке предсказать геологическое будущее без удобной опоры на униформизм мы невольно оказываемся в том же положении, что и наши предшественники в начале XIX в., которым было недоступно понимание геологического прошлого из-за отсутствия фундамента накопленных знаний. Сегодня мы так же можем строить прогнозы по поводу неопределенного будущего, опираясь только на самые последние записи в геологической летописи.
Мы все зависим от погоды
Кондиционеры в помещениях и круглогодичная доступность свежих фруктов позволяют жителям богатых стран в XXI в. относиться к погоде всего лишь как к фоновой декорации для жизни, а не как к ключевому фактору, от которого зависит их выживание. Мы можем сетовать на неточность местных метеопрогнозов или злиться, когда дождь срывает наши планы на выходные, но, как общество, мы, по большому счету, игнорируем погоду, пока та не вторгается в нашу повседневную жизнь слишком бесцеремонно. Вместо того чтобы измерять ценность хорошей погоды (представьте себе заголовок: "На прошлой неделе местные фермеры получили солнечного излучения на 10 млн долларов"), мы сосредоточиваемся на негативных погодных явлениях - ураганах, засухах, наводнениях, сильной жаре или необычных холодах - и рассматриваем их как влекущие за собой убытки аномалии, которые лишают людей и компании их "законных" доходов. Мы убеждены в том, что погода должна быть стабильной и благоприятной, и раздражаемся, когда та не соответствует нашим ожиданиям.
Между тем долгосрочное влияние погоды и климата на человеческую цивилизацию является предметом изучения новой междисциплинарной науки - исторической климатологии, которая объединяет историю, экономику, социологию, антропологию, статистику и собственно климатологию. Если посмотреть на последние два тысячелетия человеческой цивилизации, бросается в глаза ярко выраженная закономерность: периоды социальной нестабильности и конфликтов всегда, причем с высоким уровнем статистической достоверности, совпадали с периодами отклонения климатических условий от нормы даже в незначительных пределах[93]. Так, в раннем Средневековье в Европе снижение средних температур всего на один градус ниже нормы привело к неурожаям и спровоцировало массовые миграции и межплеменные столкновения в период с 400 по 700 г. н. э. Затяжная засуха, связанная с изменением погодоформирующих факторов в Тихом океане около 900 г н. э., стала причиной краха цивилизации майя в Центральной Америке и империи Тан в Китае. Ангкорское королевство в Юго-Восточной Азии, процветавшее на протяжении 500 лет, рухнуло после двух десятилетий засухи в начале XV в. Еще один период похолодания в Европе совпал с Тридцатилетней войной, длившейся с 1618 по 1648 г., которая, если учитывать долю погибших от всего населения, была даже кровопролитнее, чем Первая мировая война. Хотя формально война была вызвана религиозными и политическими причинами, спровоцированный климатическими изменениями голод усиливал враждебность и усугублял страдания людей.
Можно подумать, что современное общество стало менее уязвимым для обычных погодных аномалий. Но анализ полицейских данных за последние полвека показал, что при каждом увеличении стандартного отклонения средней температуры в крупных городах мира уровень насильственной преступности подскакивал на 4 %. Аналогичное статистическое исследование показало, что за последние десятилетия климатические стрессы, такие как нехватка воды, провоцировали увеличение локальных и региональных межгрупповых конфликтов по всему миру по крайней мере на 14 %[94]. Парадоксально, но современный уровень развития во многих отношениях делает нас менее гибкими перед лицом климатических перемен, чем предыдущие общества. Мы выстроили огромные города на побережьях и в пустынях в расчете на то, что уровень моря будет оставаться постоянным, а дожди и снега будут своевременно пополнять запасы пресной воды. Вся наша система производства продуктов питания построена на предположении о том, что привычные нам погодные циклы будут повторяться снова и снова.
Между тем погода все больше "сходит с ума". С начала этого тысячелетия мы уже пережили десять самых жарких лет за всю историю метеонаблюдений. "Самое сильное за 100 лет" и "самое сильное за 500 лет" наводнения происходят раз в десятилетие. Правила климатической игры в антропоцене изменились настолько, что геологам все труднее полагаться на количественные модели, разработанные учеными для исследования поведения геологических систем. Эти модели основаны на концепции стационарности, которая гласит, что естественные системы изменяются в пределах строго определенного диапазона с неизменными верхней и нижней границами. В прошлом это предположение позволяло делать обоснованные прогнозы, однако недавно международная группа ведущих гидрологов опубликовала отрезвляющий доклад, в котором констатировала, что "концепция стационарности мертва и больше не может использоваться как центральное, принятое по умолчанию предположение при оценке и планировании рисков водных ресурсов"[95]. Другими словами, основной прогноз в отношении погоды и водного цикла состоит в том, что они становятся все более и более непредсказуемыми.
Тем не менее люди продолжают упрямо верить в униформизм. Отчасти этот оптимизм понятен, поскольку коренится в том геологическом факте, что климат в эпоху голоцена, когда возникла человеческая цивилизация с ее сельским хозяйством, письменностью, наукой, искусством, технологиями и государствами, действительно был на редкость стабильным. На самом деле именно стабильность, вероятно, была главным фактором, позволившим людям построить свою цивилизацию. И наоборот, значительные по амплитуде климатические колебания в плейстоцене ограничивали развитие зарождающегося человеческого общества. "Ледниковая эпоха" не была постоянно ледяной; вместо этого в течение 2,5 млн лет климат демонстрировал сумасшедшие флуктуации, сочетающие колебания различных периодов, как образно выразился гляциолог Ричард Элли, "словно мотающиеся вверх-вниз диски игрушки йо-йо в руках человека, который раскачивается на тарзанке, привязанной к тележке американских горок"[96]. Очень важно понять, что именно происходило в плейстоцене, для того чтобы посмотреть на текущие темпы климатических изменений в перспективе и постараться спрогнозировать будущее. История изучения ледниковой эпохи вновь возвращает нас к Лайелю, а также выводит на сцену новых персонажей - швейцарских фермеров, шотландского уборщика и сербского математика.
Нагреться, чтобы оледенеть
Сегодня в Висконсине крупные валуны гранита и гнейса являются неотъемлемым элементом элитного ландшафтного дизайна, которым любят украшать клумбы перед офисными зданиями и медицинскими учреждениями. Но в начале XIX в. эти камни, зачастую кардинально отличавшиеся по составу от местных коренных пород, были одной из самых мучительных головоломок для геологов в регионе Великих озер и в Северной Европе. Эти эрратические валуны (от лат. erraticus - "блуждающий"), рассеянные на территориях далеко от места своего происхождения, казалось, подтверждали библейскую историю о Всемирном потопе. По этой причине и сами валуны, и глинистые отложения, в которых их часто находили, ученые окрестили дилювием (от лат. diluvium - "потоп") или наносами (подразумевая, что нанести такое количество материала могла только сила воды). Последний анахронический термин сохраняется и сегодня, например в названии Безнаносной области (Driftless Area) - уникального региона глубоких долин, сложенных коренными породами, на юго-западе Висконсина, где нет ни эрратических валунов, ни других типов дилювия.
В учебниках по геологии утверждается, что революционным мыслителем, который в 1838 г. первым предположил, что эти огромные валуны могли быть перенесены на большие расстояния не наводнениями, а массивными пластами льда, был швейцарский геолог Луи Агассис (1807-1873). Однако пальма первенства в действительности принадлежит немецкому натуралисту Карлу Шимперу (придумавшему термин Eiszeit - "ледниковый период"), который первым пришел к этому выводу и поделился им с Агассисом во время совместного похода в Альпы[97]. В свою очередь Шимпера на эту мысль навели швейцарские фермеры, которые хорошо знали поведение ледников и не сомневались в том, что огромные валуны, усеивавшие альпийские долины, были принесены сюда ледяными массами. Между тем Агассис не только присвоил чужое открытие, но и, что еще более возмутительно, впоследствии использовал свою научную репутацию и положение профессора Гарвардского университета для продвижения абсолютно ненаучной и отвратительной расистской теории происхождения человеческих рас. На мой взгляд, в анналах науки рядом с его именем следовало бы поставить звездочку - так помечают спортсменов, которых лишили медали за употребление допинга. К сожалению, его имя по-прежнему остается увековеченным в названии гигантского древнего ледникового озера Агассис, которое в позднем плейстоцене покрывало бо́льшую часть Северной Дакоты, Миннесоты и канадской провинции Манитоба (и наделило их таким замечательно ровным рельефом).
У Чарльза Лайеля пусть не совсем катастрофическая, но уж никак не униформистская гипотеза ледниковой эпохи, утверждавшая, что в результате резкого похолодания обширные районы Европы и Северной Америки были продолжительное время покрыты льдом, вызывала ничуть не меньшее неприятие, чем идея Всемирного потопа. Тем не менее, когда геологи начали картографировать так называемые "наносы", стало очевидно, что гипотеза "великого оледенения" была единственной, которая могла их объяснить. Более того, исследование дилювия в верховьях Великих озер показало, что оледенение не было однократным событием: ледники то наступали, то отступали, каждый раз оставляя после себя отчетливо выраженные отложения (и упорно обходя стороной вышеуказанную Безнаносную область в Висконсине). Но что могло вызвать такие циклы резкого потепления и похолодания?
Уже в середине XIX в. некоторые ученые начали разрабатывать гипотезу о том, что изменение параметров земной орбиты может влиять на характер инсоляции Земли (облучения поверхности планеты солнечным светом) и, как следствие, вызывать эпизодические периоды оледенения. Было установлено, что гравитационное влияние Луны и соседних планет вызывает циклические изменения трех параметров движения Земли в космосе: (1) эллиптическая форма орбиты Земли вокруг Солнца, характеризуемая эксцентриситетом, слегка растягивается и сжимается с цикличностью в 100 000 лет, (2) угол наклона земной оси меняется между примерно 21,5° и 24,5° каждые 41 000 лет и (3) ось вращения Земли раскачивается, как у крутящегося игрушечного волчка, и делает полный круг примерно за 23 000 лет - это явление называется прецессией Земли, и в результате него происходит постепенная смена полушарий, направленных к Солнцу в точке солнцестояния. Сегодня эти три переменные называются циклами Миланковича в честь сербского геофизика, создателя математической климатологии Милутина Миланковича (1879-1958), который, пережив две мировые войны в статусе перемещенного лица, тем не менее сумел рассчитать комбинированное воздействие этих циклов на освещенность Земли солнечным излучением.
Следует уточнить, что первые тщательные расчеты орбитальных циклов были выполнены еще за полвека до этого гениальным шотландским самоучкой Джеймсом Кроллом (1821-1890) - факт, который Миланкович полностью признавал. Кролл родился в очень бедной семье и, несмотря на интерес к учебе и явный математический талант, не мог посещать даже среднюю школу. Проработав несколько лет управляющим гостиницей и торговцем чаем, он устроился уборщиком в колледж Андерсона в Глазго, где допоздна засиживался в библиотеке, изучая научные труды (такая вот судьба, похожая на сюжет фильма "Умница Уилл Хантинг", вышедшего в 1997 г.).
В 1860-е гг. Кролл начал переписку с Чарльзом Лайелем, изложив тому свои расчеты вариаций орбитальных параметров Земли и их влияния на климат. Лайель, который к тому времени неохотно признал ледниковую теорию, был впечатлен его блестящим умом и помог получить место секретаря в Шотландской геологической службе. (Кролл также переписывался с Дарвином по вопросу о скорости эрозии.) Из расчетов Кролла следовало, что ледниковые периоды в Северном и Южном полушарии наступали не синхронно из-за противоположных эффектов прецессии. Этот результат понравился Лайелю, поскольку означал, что в среднем на Земле сохранялось устойчивое состояние - идея, от которой отец униформизма никак не мог отказаться. Но спустя полвека Миланкович подтвердил, что на самом деле из-за непропорциональной концентрации массы суши в Северном полушарии влияние прецессионного цикла на северные широты играло доминирующую роль в глобальной климатической системе.
Однако ни у Кролла, ни у Миланковича не было геологических данных высокого разрешения, чтобы проверить свои расчеты. К 1880-м гг. выдающийся геолог Томас Краудер Чемберлин (уроженец Висконсина, имя которого носит дорогая моему сердцу некогда покрытая ледниками долина на Шпицбергене) выделил четыре отдельных эпизода оледенения, названные им в честь штатов, где лучше всего сохранились соответствующие ледниковые отложения, - висконсинское (самое молодое), иллинойское, канзасское и небраскское. К сожалению, установить абсолютный возраст этих событий, а также узнать, не предшествовали ли им более ранние циклы оледенений, невозможно. Проблема с наземными гляциальными летописями заключается в том, что каждое новое продвижение ледникового щита стирает записи о предыдущих событиях и наносит поверх них новые, подобно тому как ледовый комбайн в перерывах хоккейного матча обновляет поверхность льда, срезая верхний слой и заливая сверху новый. Висконсин (кроме той самой Безнаносной области) был покрыт ледником в ходе всех четырех оледенений, однако распознать моренные следы трех более ранних событий в большинстве случаев почти невозможно.
В последние годы XIX в. Чемберлин и многие другие исследователи размышляли о причинах ледниковых эпох, рассматривая не только орбитальные циклы, но и вулканизм, горообразование и циркуляцию океана. В 1896 г. шведский химик Сванте Аррениус доказал, что некоторые газы, присутствующие в небольших количествах в атмосфере, особенно угольная кислота (H2CO3, соединение углекислого газа с водяным паром), могут влиять на климат из-за того, что беспрепятственно пропускают на Землю коротковолновое солнечное излучение (свет), но блокируют длинноволновое излучение (тепло), исходящее от поверхности Земли[98]. (Он даже высказал идею, что выбросы от сжигания угля в будущем могут "улучшить" климат Швеции.) Все эти гипотезы в конечном итоге окажутся потом хотя бы частично верными, но в то время их невозможно было проверить, так как отсутствовала высокоразрешающая информация об изменении климата с течением времени. На протяжении многих десятилетий вина ни одного из этих подозреваемых во влиянии на климат не могла быть доказана наверняка: имевшиеся улики были слишком скудными и косвенными.
Керны как архивы данных
Наконец в 1970-е гг. были открыты два новых богатейших архива климатических данных, которые произвели революцию в климатологии, что равносильно тому, как если бы ученые, прежде перебивавшиеся случайными брошюрами в букинистической лавке, вдруг получили доступ к Библиотеке Конгресса. Этими архивами были: (1) керны глубоководных отложений, полученные благодаря океанографическим исследовательским судам нового поколения, и (2) керны полярного льда, добытые в рамках проектов глубокого бурения, осуществленных благодаря героическим усилиям международного научного сообщества в Антарктиде и Гренландии. Глубоководные районы морского дна и полярные ледяные шапки похожи тем, что в этих местах происходит медленное и постоянное накопление осадков без перерывов и помех, подобно тому как пыль постепенно покрывает мебель в закрытой комнате. Сегодня глубоководные керны из многочисленных районов Мирового океана обеспечивают нас данными о глобальном изменении климата за последние 160 млн лет (не только на протяжении ледникового периода, но и задолго до него), которые зашифрованы в вариациях геохимического состава и микроскопических окаменелостей с разрешением в тысячи лет. Ледяные керны, в свою очередь, содержат летопись атмосферных изменений за последние 700 000 лет с разрешением вплоть до года, по крайней мере в молодом льду. Разумеется, чтобы получить доступ к этой бесценной климатической информации из морских глубин и древнего льда, требуется сначала взломать их изотопный код.
Кислород, как и углерод, имеет два основных устойчивых изотопа, и, подобно тому как легкий углерод 12C усваивается фотосинтезирующими организмами гораздо охотнее тяжелого 13C, молекулы воды, включающие легкий кислород 16O, испаряются гораздо быстрее, чем содержащие тяжелый изотоп 18O. Это означает, что в любой момент времени осадки, в том числе полярные снега, содержат больше легкого 16O и меньше тяжелого 18O, чем океанская вода, и такая изотопная сортировка еще больше увеличивается в периоды оледенения. В ледниковые эпохи, когда значительная часть воды на Земле была заблокирована в ледниках и ледяных шапках, океаны и морские организмы, строящие свои раковины из растворенных в морской воде элементов, имели особенно высокие соотношения 18O/16O. И наоборот, в слоях льда, образовавшихся в эти периоды, это соотношение было низким. Так же меняются соотношения обычного водорода (1H) и дейтерия (2H), благодаря чему ледниковый лед (который представляет собой воду, H2O, в твердой форме) также фиксирует состояние окружающей среды. Таким образом, изотопные соотношения в глубинных морских отложениях и ледниках обеспечивают нас надежными данными об изменении температурных условий и общего объема льда на планете на протяжении длительного времени.
Анализ кернов полярного льда и кернов глубоководных отложений с их гораздо более длительной историей "записей" позволил установить, что четыре выделенных Чемберлином оледенения были всего лишь самыми последними из 30 аналогичных событий, произошедших за 2,6 млн лет плейстоценовой эпохи. В них четко просматривался пульсирующий сигнал циклов Кролла - Миланковича: мощный регулярный ритм, поверх которого были наложены другие высокочастотные колебания[99]. В течение первых 1,5 млн лет плейстоцена колебания климата резонансно откликались на 41 000-летние вариации наклона земной оси. Но примерно 1,2 млн лет назад этот пульс замедлился и стал соответствовать более медленной, 100 000-летней периодичности изменения эксцентриситета, подобно тому как замедляется электрокардиограмма у заснувшего человека. Этот феномен был назван среднеплейстоценовым переходом, и его причины пока не совсем понятны. Дело в том, что из трех орбитальных переменных эксцентриситет оказывает наименьшее влияние на инсоляцию Земли, но этот 100 000-летний цикл значительно усиливался геологическими процессами. Кроме того, в климатической летописи присутствуют высокочастотные "гармоники", не коррелирующие с орбитальными вариациями. Например, периодические температурные колебания частотой около 1500 лет - так называемые осцилляции Дансгора - Эшгера - предположительно совпадают с характерным внутренним ритмом, присущим глобальным океаническим течениям. Это говорит о том, что наша планета не просто марионетка, послушно танцующая под ритмы астрономических циклов, но и сама задает ритм и темп.
Тепловой удар
Есть и еще одно, более важное расхождение между предсказанными комбинированными эффектами орбитальных циклов и наблюдаемыми климатическими данными, которое также подтверждает способность Земли импровизировать на темы циклов Миланковича. Эти циклы, по сути, представляют собой синусоиды - симметричные, палиндромические горбы и впадины. При наложении они создают более сложные функции, но в целом в них нет систематической направленности - при взгляде на них неясно, в каком направлении течет время. В отличие от этого, реальные климатические данные из морских отложений и льда дают асимметричные пилообразные графики, где длительные периоды похолодания, когда Земля медленно соскальзывала в ледниковые эпохи, перемежаются с короткими интервалами резкого потепления. Это можно объяснить только тем, что в каждом цикле небольшой орбитальный импульс к более теплым условиям усиливался какими-то процессами в земной системе и превращался в относительно короткую, но мощную волну разогревания климата, словно у Земли ломался термостат. Причина такого усиления тоже сохранилась в ледяной летописи: парниковые газы, особенно углекислый газ и метан (CH4), известный также как болотный газ.
При выпадении снега в его толще остается множество воздушных полостей (именно благодаря такой изоляции внутри вырытых в снегу укрытий так тепло). На полюсах, где снег не тает от сезона к сезону и нарастает все новыми слоями, нижележащие слои снега постепенно спрессовываются и на глубине около 60 м кристаллизуются и превращаются в лед. В процессе этого воздушные полости выдавливаются, но часть воздуха остается в виде пузырьков, взвешенных во льду, как насекомые в янтаре. Хотя между слоями может происходить некоторая миграция воздуха, газовые пузырьки, пойманные в ловушку в полярном льду, являются надежными хранилищами атмосферных проб с разрешением порядка десятилетий и даже меньше. И эти крошечные пузырьки говорят нам, что за последние 700 000 лет глобальные температуры коррелировали на самом высоком уровне статистической значимости с концентрациями парниковых газов - углекислого газа и метана - в атмосфере.
Но каким образом парниковые газы могут превращать небольшой импульс к потеплению, заданный циклами Миланковича, в полномасштабный "тепловой удар"? Ответ кроется в многочисленных механизмах положительной обратной связи - самоусиливающихся процессах, которые присущи климатической системе Земли. Рассмотрим, например, один из них. В ходе длительных периодов похолодания в плейстоцене на не покрытых ледяными щитами территориях существовали тундровые экосистемы, состоявшие из медленно растущих лишайников, мхов и мелких сосудистых растений (такие мы видим сегодня на Шпицбергене). Когда эта растительность умирала, низкие температуры препятствовали ее разложению (на нашей планете за разложение отвечают в основном микробы, но на холоде они становятся инертными), поэтому органическая материя на протяжении тысячелетий просто накапливалась, слой за слоем, в виде толстых пластов торфа. Однажды, забыв про этот факт, я едва не стала виновником экологической катастрофы на Шпицбергене. Как-то во время летней экспедиции мы с коллегой решили очистить берег от старых пластиковых контейнеров и гниющих канатов, которые моряки выбрасывают за борт, вероятно считая море бездонной помойкой. Мы стащили мусор в кучу и развели костер. К нашей радости, мусор хорошо горел, но спустя какое-то время мы обнаружили, что полоса тундры, которая прилегала к пляжу и прежде зеленела влажным, сочным мхом, высохла, побурела и, казалось, слегка дымилась. Мы с ужасом осознали, что от нашего костра загорелся слой торфа, скрытый под пляжной галькой. Несколько минут мы лихорадочно носились с чайниками в руках между морем и медленно продвигающимся фронтом торфяного пожара и в конце концов сумели загасить тлеющий под землей огонь.
Огонь - яркий пример быстрого окисления; разложение делает то же самое, только медленно и незаметно. Итак, в определенные моменты в плейстоцене, когда циклы Миланковича вызывали небольшое потепление, тундровые микробы просыпались и принимались активно перерабатывать накопившийся торф, высвобождая секвестрированный в нем углерод в форме углекислого газа (или метана, если процесс происходил в низкокислородной среде). Эти парниковые газы разогревали планету, что еще повышало активность микробного сообщества, а это, в свою очередь, приводило к дальнейшему увеличению выработки парниковых газов - и так далее, в классическом цикле положительной обратной связи.
Альбедо, или отражательная способность поверхности Земли, - еще один самоусиливающийся феномен, который, в частности, сыграл важную роль в охлаждении планеты до состояния "снежного кома" в конце протерозоя. Но эффект альбедо действует в обоих направлениях: как только начинается таяние ледников, более темный цвет грязного льда, обнажившейся суши и открытой морской воды увеличивает поглощение солнечного тепла, что способствует большему нагреванию, дальнейшему таянию льда и расширению темных поверхностей. Уменьшение альбедо разгоняет маховик потепления, что, в свою очередь, еще больше раскручивает вышеописанный механизм высвобождения углерода.
Процессы положительной обратной связи также могут усиливать охлаждение: например, из-за более ветреных условий в ледниковые эпохи фитопланктонное сообщество в океанах, хронически страдающее от дефицита железа, получало больше питательной пыли и переживало бурный рост; а поскольку часть этой биомассы опускалась на дно без разложения, она уносила с собой все больше атмосферного СО2. Но пилообразный график, который сразу бросается в глаза при анализе ледяных и морских осадочных кернов, со всей очевидностью показывает имманентную асимметрию в климатической системе Земли: охлаждение планеты всегда занимает гораздо больше времени, чем ее разогревание.
Углеродная болезнь
Для нас, представителей антропоцена, особенно актуальны следующие два вопроса: как быстро разворачивались эпизоды потепления в прошлом и каких концентраций достигали при этом парниковые газы. Максимум последнего оледенения, когда огромные ледниковые языки достигли Висконсина и оставили там гляциальные отложения, исследованные Чемберлином, имел место 18 000 лет назад. В то время концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 180 ppm. После этой долгой зимы орбитальные факторы немного увеличили инсоляцию Земли, и уровень CO2 начал расти. С тех пор Земля вступила в период устойчивого потепления, который прервался лишь однажды непродолжительным резким похолоданием между 12 800 и 11 700 лет назад (в так называемый интервал позднего дриаса), которое, как считается, было вызвано нарушением Гольфстрима - океанического течения, переносящего теплые тропические воды в северные широты, - в результате поступления в Северную Атлантику огромного притока пресной воды от тающих ледяных щитов. К этому времени концентрация CO2 достигла примерно 255 ppm, увеличиваясь на протяжении этих 6300 лет со средней скоростью 0,01 ppm в год. Когда течение Гольфстрима восстановилось, Земля как будто бы вдруг решила вступить в новую эпоху и приняла совершенно новый кодекс поведения. В течение нескольких десятилетий, около 11 700 лет назад ("золотой гвоздь" голоцена), средние глобальные температуры быстро достигли своих голоценовых значений и стабилизировались, оставив прежние дикие скачки в плейстоценовом прошлом.
Переход в голоцен сопровождался еще и масштабными географическими преобразованиями. Талая вода от тающих ледниковых щитов скапливалась в огромных озерах, которые зачастую были ограничены лишь хрупкими ледяными барьерами, неспособными сдержать растущий напор воды. Характерный природный ландшафтный комплекс Чаннелд-Скаблендс на востоке штата Вашингтон свидетельствует о катастрофическом наводнении, случившемся в результате прорыва ледяной плотины, сдерживавшей объем воды, эквивалентный озеру Мичиган (извините, сэр Лайель). На освобожденных от ледникового покрова холмистых рельефах формировалась новая речная дренажная система. В Северной Америке основные притоки Миссисипи - реки Миссури и Огайо - маркируют границы последнего ледникового покрова, куда стекались наибольшие объемы талой воды. По мере того как ледниковые талые воды поступали обратно в океан, уровень моря повышался и за несколько тысячелетий поднялся на десятки метров, затопив прибрежные полосы суши и превратив многие речные долины в эстуарии. Сухопутная перемычка, некогда соединявшая Азию с Северной Америкой, ушла под воду. Британия была отделена от Европы образовавшимся проливом. Но в конце концов береговые линии стабилизировались, погодные условия стали регулярными и предсказуемыми, и наши далекие предки смогли заняться выращиванием сельскохозяйственных культур и строительством цивилизаций.
К 1800 г., незадолго до того, как началось массированное сжигание ископаемых углеводородов, концентрация атмосферного CO2 увеличилась до 280 ppm - всего на 35 ppm с начала голоцена. Это говорит о том, что на протяжении предыдущих 11 000 лет углеродный цикл Земли находился в равновесном состоянии, когда поступление углерода от вулканических извержений и разложения органического вещества уравновешивалось его потреблением фотосинтетиками и долгосрочной секвестрацией микроорганизмами в виде известняковых отложений. Небольшие эпизодические нарушения этого углеродного баланса обрекали человеческие общества на голод и кровопролитные конфликты.
После промышленной революции мы, как пожирающие торф микробы-переростки, принялись интенсивно потреблять накопившиеся на Земле запасы древних углеводородов - сначала уголь, затем нефть и природный газ. Но фотосинтетики и секвестрирующие углерод морские микроорганизмы не в силах угнаться за нашими темпами. Одна из главных несправедливостей состоит в том, что, тогда как ответственность за львиную долю выбросов CO2 в XX в. несут Соединенные Штаты и Западная Европа, от последствий этого страдает весь мир. Это связано с тем, что время перемешивания тропосферы (нижнего слоя атмосферы), за которое ветры и погодные условия смешивают воздух на всей планете и делают его однородным, является относительно коротким (всего 1 год) по сравнению с временем пребывания углерода в атмосфере (сотни лет). Если бы перемешивание происходило гораздо медленнее, выброшенный в атмосферу углекислый газ зависал бы в атмосфере над местами эмиссий, подобно мусору, накапливающемуся на помойках, когда бастуют водители мусоровозов, что волей-неволей заставляло бы принимать меры по ограничению выбросов CO2. Но поскольку эти выбросы невидимы и, более того, равномерно распределяются над всей планетой, у нас мало стимулов что-либо делать в этом направлении[100].
К 1960 г. глобальная концентрация СО2 в атмосфере достигла 315 ppm, увеличившись за последние 160 лет на столько же, на сколько за предыдущие 11 000 лет. Скорость роста составила 0,22 ppm в год - в 20 раз быстрее, чем в позднем плейстоцене, когда на Земле началось значительное потепление. В 1990 г. мы пересекли отметку в 350 ppm, которую многие климатологи считают верхним порогом для поддержания голоценовой климатической стабильности, после прохождения которого предположительно должны запуститься сокрушительные механизмы положительной обратной связи. К 2000 г. концентрация СО2 достигла 370 ppm, увеличиваясь со скоростью 2 ppm в год. На момент написания этой книги был пробит потолок в 400 ppm, и скорость роста продолжает нарастать.
Даже в плейстоцене с его дикими климатическими скачками уровень CO2 в атмосфере никогда не превышал 400 ppm - в последний раз подобная концентрация наблюдалась в плиоцене более 4 млн лет назад. И конечно же, нынешняя скорость роста уровня CO2 является беспрецедентной для плейстоцена. Ближайший аналог - климатический кризис, случившийся 55 млн лет назад на границе двух самых ранних эпох в начале кайнозойской эры: палеоцен-эоценовый (или позднепалеоценовый) термический максимум, также известный под менее громоздкой аббревиатурой ПЭТМ.
Далекое зеркало
Подобно сообщениям очевидцев землетрясений, керны морских осадочных отложений, взятые в десятках точек по всему земному шару, хранят яркие свидетельства о позднепалеоценовом термическом максимуме. Все они рассказывают одинаковую историю о пережитом шоке: резкий рост температур на 5-8 °C (зафиксированный в соотношениях изотопов кислорода в микроокаменелостях) сопровождался одновременным скачком кислотности воды в океане (отмеченным резким уменьшением количества материала кальцитовых раковин в осадках) и огромным притоком углерода из какого-то биогенного источника (о чем свидетельствует его необычно высокое обогащение изотопом 12C по сравнению с 13C)[101]. Летопись окаменелостей подтверждает, что в экосистеме океана произошел серьезный сбой: значительно сократилась численность многих видов планктона, а вымирание донных микроорганизмов, называемых бентосными фораминиферами, указывает на то, что были затронуты даже глубоководные слои океана. Эти потрясения, в свою очередь, вызвали масштабную реорганизацию всей морской пищевой цепи. На суше более жаркие и засушливые условия спровоцировали массовое переселение многих видов млекопитающих и стали причиной вымирания пятой части всех видов растений, неспособных к такой быстрой миграции. Морские и наземные данные указывают на то, что после ПЭТМ океанам и биосфере потребовалось около 200 000 лет, чтобы достичь нового равновесия[102].
Изменения в соотношениях изотопов углерода позволяют рассчитать вероятное количество углерода, выделенного в атмосферу на протяжении всего ПЭТМ: большинство оценок попадает в диапазон от 2000 до 6000 млрд метрических тонн, или гигатонн (Гт), углерода{14}. Чтобы вы могли лучше представить себе, что значит 2000-6000 Гт углерода, сравните: на сегодняшний день совокупные антропогенные выбросы углерода составляют около 500 Гт, четверть из которых приходится на период после 2000 г. Учитывая, что уровень эмиссии по-прежнему растет, к 2100 г. мы можем достичь и даже превзойти нижний предполагаемый порог углеродных выбросов в ходе ПЭТМ.
Важный вопрос, на который пока нет точного ответа, касается того, что именно могло быть источником такого количества биогенного углерода в ходе ПЭТМ (задолго до появления людей с их страстью жечь ископаемые углеводороды). Основные кандидаты - это: (1) горение угля или торфа, вызванное магматической активностью в процессе открытия северной части Атлантического океана (вспомните печально известный подземный пожар в угольных пластах под городком Сентрейлия в Пенсильвании, который тлеет вот уже больше 50 лет), и (2) внезапное испарение метана, заключенного во льду в форме клатратов или газогидратов в отложениях под морским дном. Эти газогидраты, образующиеся в результате взаимодействия воды и метана, производимого микробами при переработке органики в низкокислородной среде, стабильны в очень ограниченном диапазоне температур и давления. Если морская вода нагревается или, например, подводный оползень обнажает слой, богатый газогидратами, последние стремительно распадаются, порождая гигантскую метановую "отрыжку". Газогидраты были открыты только в 1980-х гг.; до этого ученые ломали голову над тем, почему во взятых с морского дна кернах обычно присутствовали большие пустоты: было очевидно, что прежде там находилось какое-то вещество, которое при подъеме на поверхность бесследно исчезало. Более эффективные технологии извлечения кернов позволили установить, что этим таинственно исчезающим веществом был "горючий" метановый лед. По оценкам, объемы метанового гидрата в морских отложениях в настоящее время составляют от 1000 до 10 000 Гт. Как и тундровый торф, эти запасы законсервированного углерода становятся нестабильными при повышении глобальных температур, а их внезапное испарение может запустить кошмарный самоусиливающийся парниковый эффект.
К сожалению, осадочная летопись, имеющая разрешение порядка нескольких тысячелетий, не позволяет точно определить, как именно произошло насыщение атмосферы углеродом в ходе ПЭТМ: почти мгновенно, в результате выброса метана с морского дна, или же постепенно, в результате длительного (на протяжении тысячи лет) горения угля или торфа. Это различие представляет не только научный интерес. Если знаменатель в скорости выброса углерода в ходе ПЭТМ равен году, это дает нам возможность цепляться за утешительную мысль о том, что Земле уже приходилось переживать нечто похожее на антропогенную эмиссию. Но, если знаменатель составляет тысячелетия, нам придется признать, что эмиссия углерода в антропоцене является не имеющей аналогов аномалией в истории планеты.
Ловушки для углерода
Сегодня мы, люди, выбрасываем в атмосферу более 10 Гт углерода в год - через сжигание ископаемого топлива (основной источник эмиссии), производство цемента (сопровождающееся обжигом известняка) и уничтожение лесов, - превосходя в этом все земные вулканы более чем в 100 раз. Но нельзя ли найти способы имитировать биогеохимические циклы, чтобы выводить выбрасываемый нами углерод из атмосферы? Сегодня предлагается множество возможных стратегий, от сложных инженерных систем до прямого воспроизведения природных процессов. Но высокотехнологичные подходы пока слишком дороги, чтобы быть осуществимыми в нынешних условиях, а низкотехнологичные не смогут быстро улучшить ситуацию; такова уж специфика нашей планеты: она любит неспешные геологические процессы.
Последние годы американская угольная промышленность усиленно продвигает оксюморонную идею "чистого угля", в основе которой лежит маловероятный сценарий, согласно которому на всех угольных электростанциях страны могут быть установлены эффективные системы УХУ - улавливания и хранения углекислого газа (Сarbon capture and sequestration, CCS). Технологически это вполне осуществимо; система включает захват CO2, выделяемого при сжигании угля, сжатие газа под высоким давлением и его закачивание в пористые породы глубоко под землей, в идеале - под электростанцией или рядом с ней (если позволяют геологические условия). Для электростанций, расположенных вблизи побережья, предлагается хранить уловленный CO2 в глубоководных отложениях на морском дне, но это рискованная схема, поскольку подкисление (повышение кислотности) океана является одним из главных негативных последствий повышения концентрации СО2, на борьбу с которым направлены технологии УХУ.
В начале 2000-х гг. казалось возможным, что достаточно мощные экономические стимулы, такие как налог на выбросы углерода или система квот и торговли квотами на выбросы, подтолкнут широкомасштабное внедрение технологий УХУ, но этим надеждам было не суждено сбыться из-за появления технологий добычи сланцевого газа посредством горизонтального бурения и гидроразрыва пластов. Резкое падение цен на энергоносители, а также более низкий чистый выброс СО2 при сжигании природного газа по сравнению с углем погасили импульс зарождающегося движения по внедрению УХУ. (Хотя природный газ действительно выделяет примерно на 50 % меньше СО2 на единицу произведенной энергии, его нельзя назвать действительно "экологически чистым топливом", как это утверждают представители газовой промышленности; здесь следует учитывать и факт значительных утечек метана из плохо запечатанных скважин и некачественно обслуживаемых газопроводов.)[103] Работающие на газе электростанции также могут использовать системы УХУ, но стоимость строительства таких электростанций будет вдвое выше обычной, а себестоимость улавливания CO2, которая определяет нижнюю планку для эффективного налога на выбросы углерода или их рыночной стоимости, будет составлять примерно $70 за тонну, без учета транспортировки и хранения[104]. Таким образом, при нынешнем экономическом и политическом климате использование таких технологий представляется крайне маловероятным.
Но даже если бы технологии улавливания и хранения углекислого газа были экономически жизнеспособными, они вряд ли стали бы панацеей. Тогда как прямые выбросы CO2 электростанциями действительно можно было бы сократить на 80-90 %, сам по себе процесс УХУ требует значительных энергозатрат, и эти энергозатраты возрастают еще больше, если хранение уловленного CO2 нельзя обеспечить на месте и требуется его транспортировка. Наконец, закачка CO2 в глубокие геологические "резервуары" также сопряжена с определенными проблемами. Породы-коллекторы должны быть достаточно пористыми, чтобы удерживать большое количество сжатого газа, но недостаточно проницаемыми, чтобы не позволить ему просачиваться наружу, - а это все равно что желание иметь общительного и разговорчивого друга, который умеет надежно хранить ваши секреты. Кроме того, многократная закачка в глубинные пласты жидкости под высоким давлением, будь то сжиженный СО2 или вода с химикатами для гидроразрыва пластов, может спровоцировать непреднамеренный побочный эффект - землетрясения, которые могут нарушить целостность резервуара углекислого газа и выпустить его на поверхность.
Но что, если улавливать углекислый газ не на выходе с электростанций, а извлекать его непосредственно из воздуха, имитируя деятельность фотосинтетиков? Вот уже на протяжении как минимум двух десятилетий ряд ученых и частных компаний занимаются разработкой "искусственных деревьев", чьи "листья" будут абсорбировать CO2 из воздуха и пропускать через химическую среду с сильным основанием, например щелочью (гидроксидом натрия, NaOH) или полимерной смолой. Убежденный апологет этой технологии физик Клаус Лакнер из Аризонского университета утверждает, что в конечном итоге можно создать "дерево", которое будет поглощать тонну углекислого газа в день, т. е. примерно в 1000 раз больше, чем обычное дерево. Но даже при таком максимальном уровне эффективности потребуется 30 млн искусственных деревьев, чтобы нейтрализовать наши текущие выбросы углерода, достигающие 10 Гт в год, и еще сотни миллионов, чтобы обратить вспять последствия столетней эмиссии или хотя бы вернуться к уровню 1990 г. в 350 ppm, который многие климатологи считают критическим порогом.
По оценкам Американского института физики, себестоимость прямого извлечения CO2 из воздуха с использованием даже самых многообещающих (но еще непроверенных) технологий будет составлять $780 за тонну CO2 - почти в 10 раз больше, чем его улавливание на электростанциях[105]. Кроме того, под "леса" из искусственных деревьев придется отвести значительные по площади участки суши, а собираемый ими углерод будет требовать дальнейшей утилизации - либо закачки в подземные хранилища, либо захоронения в какой-либо твердой форме.
Старый добрый фотосинтез
С учетом всех этих сложностей, старый добрый естественный фотосинтез кажется невероятно выгодной сделкой, и не надо ничего изобретать! Почему бы не задействовать эту природную технологию более интенсивно, просто посадив как можно больше деревьев и других растений? Как показывает геологическая летопись, чтобы произошло заметное снижение концентрации СО2 в атмосфере, поглощение углерода посредством фотосинтеза в каждом отдельно взятом году должно значительно превышать его высвобождение в результате разложения растительной массы. (Горькая ирония состоит в том, что причиной наших сегодняшних проблем является как раз неразложившийся в прошлом органический углерод, из которого образовано ископаемое топливо.) Если же углерод, фиксируемый растениями весной и летом, в том же количестве высвобождается осенью и зимой при их разложении, чистый эффект изъятия углерода равняется нулю. Таким образом, самыми эффективными с точки зрения секвестрации углерода являются быстрорастущие деревья с максимально длительным сроком жизни. Хотя они не хранят углерод вечно, они, по крайней мере, выводят его из циркуляции на несколько десятилетий и даже веков.
Но даже такая простая "технология" борьбы с СО2, как посадка деревьев, проблематична в реализации. Прежде всего очевидно, что есть предел тому, какую часть суши мы можем отвести под леса, поскольку нам нужно выращивать продовольственные культуры (хотя в конце прошлого века на севере США, в частности в Висконсине и Новой Англии, началось частичное возвращение под лесные угодья сельскохозяйственных земель, на которых леса были вырублены в XIX в.). Кроме того, интуитивное предположение, что активно растущие молодые деревья поглощают больше углерода, поэтому имеет смысл вырубать старые леса и засаживать эти территории новыми, оказывается в корне неверным. Последние исследования показали, что деревья многих видов с возрастом улавливают и фиксируют все больше углерода благодаря тому, что их общая листовая поверхность, а также объем стволов и ветвей продолжают все время увеличиваться[106]. Таким образом, оптимальная стратегия в данном случае - позволить расти старым деревьям и сажать как можно больше новых, но не стоит забывать о том, что деревья имеют конечный срок жизни и в итоге возвращают весь изъятый углерод в атмосферу.
Более продвинутый подход к использованию возможностей фотосинтеза известен под функциональным, но громоздким названием "биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода", сокращенно био-УХУ (Bioenergy with carbon capture and storage, BECCS). Идея состоит в том, чтобы использовать биомассу из быстрорастущих фотосинтетиков, таких как прутьевидное просо и культивируемые водоросли, для производства биотоплива, а затем секвестировать выделяющийся при его сжигании углерод. Теоретически эта технология действительно дает отрицательный углеродный выброс и позволяет на длительный срок вывести из обращения органический углерод. В настоящее время уже реализуются небольшие пилотные проекты, но переработка растительной массы в биотопливо сама по себе энергоемкий процесс, а улавливание углекислого газа с использованием биотопливных энергоустановок и его последующее захоронение может оказаться еще дороже, чем на электростанциях, работающих на природном газе или угле[107].
На протяжении миллионов лет важную роль в секвестрации фотосинтетического углерода играла морская, в основном бактериальная биомасса, которая оседала на морское дно и захоранивалась в низкокислородных осадках (часть этой биомассы впоследствии превращалась в нефть, природный газ или газогидраты). Одна из предлагаемых сегодня геоинженерных технологий состоит в том, чтобы активизировать этот процесс: стимулировать рост планктонных сообществ в океанах и таким образом заблокировать как можно больше избыточного углерода на длительное время в отложениях на морском дне. Лучшее удобрение для планктона также известно - это железо, от дефицита которого микробы страдают со времени Великой кислородной революции в протерозое.
Но любые искусственные манипуляции с химическим составом океана вызывают у морских биологов серьезную тревогу. Изменения в основании пищевой цепи неизбежно приведут к негативным и непредвиденным последствиям по всей экосистеме (мы уже непреднамеренно, хотя и осознанно, оказываем такое влияние, допуская сток в море больших объемов фосфорных и нитратных сельскохозяйственных удобрений, приводящих к образованию у побережья аноксических мертвых зон). Вот почему научное сообщество выступило с яростными протестами в 2007 г., когда предприниматель Рассел Джордж приступил к выпуску акций компании под названием Planktos, которая собиралась "удобрять" железом участок Тихого океана размером с Род-Айленд, и начал продавать квоты на выброс углерода экологически ответственным потребителям. Идея с Planktos провалилась, но в 2012 г. Джордж всплыл снова в качестве консультанта одной из Первых наций (так называют племена канадских индейцев) в провинции Британская Колумбия, пообещав островному племени хайда возродить пришедший в упадок лососевый промысел с помощью железосодержащих удобрений. В водах вокруг архипелага Хайда-Гуай (островов Королевы Шарлотты) были распылены 100 т сульфата железа с неоднозначными результатами, однако Международная морская организация ООН выступила с резким осуждением этих действий, и Министерство окружающей среды Канады остановило этот сомнительный эксперимент. Обеспокоенность научного сообщества подобного рода вмешательствами в морскую среду отчасти вызвана тем, что в настоящее время мы не только до конца не понимаем специфику биогеохимии океана и глобального морского микробиома, но в еще гораздо меньшей степени способны предсказать, как будет развиваться ситуация даже в ближайшем будущем, по мере повышения температуры и кислотности Мирового океана[108].
Спасение в известняке?
Если ускорение роста микробов в океанах - не выход, возможно, мы могли бы позаимствовать у Земли другую схему долгосрочной секвестрации углерода - фиксацию атмосферного углекислого газа в известняке. Образование известняка начинается с выветривания силикатных пород, в ходе чего высвобождается кальций, который затем соединяется с атмосферным CO2 и образует карбонат кальция (кальцит). Именно этот процесс вызвал снижение концентрации CO2 в атмосфере и, как следствие, охлаждение планеты в период формирования Гималаев (об этом мы говорили в главе 3). В природе эту работу выполняют раковинные морские организмы, которые поглощают углерод со скоростью примерно 0,1 Гт в год - достаточно быстро для того, чтобы в геологическом масштабе времени фиксировать в твердой форме 99,9 % всего выдохнутого вулканами углекислого газа, но в 100 раз медленнее, чтобы справиться с сегодняшними ежегодными объемами антропогенных выбросов СО2. Кроме того, поскольку повышение кислотности океана затрудняет формирование кальцитовых раковин, и без того медленные темпы естественного образования известняка в ближайшие столетия могут замедлиться еще больше.
Но мы можем создавать искусственную альтернативу известняку, используя процесс выветривания определенных видов силикатных пород, который сопровождается химическими реакциями с поглощением из воздуха углекислого газа. Плутоническая порода под названием перидотит, богатая минералом оливином (ювелирная разновидность которого известна как перидот или хризолит), вступает в реакцию с углекислым газом с образованием карбоната магния (магнезита) - минерала, который похож на кальцит, только вместо кальция содержит магний:
Но и тут есть загвоздка: хотя на нашей планете нет недостатка в перидотите - он составляет бóльшую часть верхней мантии, - на поверхности Земли он встречается довольно редко. Тем не менее есть места, например на Ньюфаундленде, Кипре, в Омане и северной Калифорнии, где из-за нарушения субдукции пластины мантийных пород надвинулись поверх краев континентальных плит. Идея состоит в том, чтобы перфорировать толщу перидотита, пробурив в ней множество отверстий, и закачивать туда уловленный CO2. Как показало одно из исследований, в одном только Омане перидотиты могут абсорбировать 1 Гт углерода в год (одну десятую наших годовых выбросов)[109]. При низких температурах реакция карбонизации протекает медленно, но сопровождается выделением теплоты, поэтому, однажды начавшись, она постепенно самоускоряется. Главная трудность, конечно же, связана с тем, как свести вместе газ и поглощающую породу. Тут есть два варианта: либо улавливать углекислый газ и транспортировать его в те немногочисленные районы, где мантийная порода выходит на поверхность, либо добывать перидотит в больших объемах и распределять его на обширных участках земной поверхности, где он может пассивно реагировать с атмосферой.
Воздушные рейды
Учитывая все трудности, связанные с избавлением от углекислого газа, неудивительно, что идея охлаждения планеты путем распыления сульфатных аэрозолей в стратосфере, вдохновленная извержением вулкана Пинатубо в 1991 г., кажется наиболее привлекательной альтернативой. Эта программа так называемого "управления солнечным излучением" относительно малозатратна (всего несколько миллиардов долларов в год) и может быть начата уже сегодня с использованием ракет, дирижаблей или высотных самолетов. Но это будет сделка с дьяволом. Если мы начнем орошать стратосферу сульфатами, нам придется продолжать эти инъекции на протяжении многих десятилетий, поскольку в отсутствие существенного сокращения выбросов СО2 эта мера будет только маскировать глобальное потепление, а не устранять его причины. Кроме того, подкисление океана в результате повышения уровня CO2 будет продолжаться и подрывать карбонатную седиментацию - медленный, но эффективный механизм долгосрочного изъятия углерода из земной атмосферы. Существует и риск морального характера - подавление парниковых симптомов может ослабить политическую волю к лечению лежащей в их основе болезни. А прекращение сульфатных инъекций раньше срока приведет к тому, что сдерживаемый парниковый эффект стремительно наверстает упущенное и спровоцирует температурный скачок, который может разрушительно отразиться на биосфере и привести к экстремальным изменениям погодных условий.
Впрыскивание в стратосферу диоксида серы в объеме, эквивалентном извержению Пинатубо (около 17 мегатонн), каждые несколько лет на протяжении от 50 до 100 лет приведет к фундаментальным изменениям многих биогеохимических циклов, которые на сегодняшний день поддаются лишь частичному прогнозированию. И, как у наркомана, нуждающегося во все бóльших дозах наркотика, чтобы испытать желаемый кайф, объемы сульфатных инъекций, необходимых для достижения искомого уровня охлаждения, с каждым разом будут все возрастать. Причина заключается в склонности сульфатных частиц к слипанию, из-за чего их время пребывания в стратосфере и отражательная способность будут постепенно и неуклонно снижаться: более крупные частицы быстрее выпадают в форме осадков и имеют меньшее отношение площади поверхности к объему, чем более мелкие, что снижает их эффективность как отражателей солнечной энергии.
Специалисты в области химии атмосферы прекрасно понимают, что присутствие в стратосфере больших объемов сульфата может повредить озоновый слой - щит, защищающий Землю от космической радиации, который начал медленно восстанавливаться после 1989 г., когда Монреальский протокол впервые ограничил использование хлорфторуглеродов. Кроме того, сама по себе система доставки сульфатных аэрозолей в стратосферу может нанести значительный вред окружающей среде: если использовать для этого реактивные истребители, им придется делать миллионы вылетов в год[110]. И при каждом таком воздушном рейде будет существовать риск, что аэрозоль будет распылен ниже целевой высоты в 10 км, в результате чего в этом месте на Землю прольется локальный кислотный дождь.
Наконец, сульфатная завеса повлияет на длину волн и интенсивность света, падающего на фотосинтезирующие растения и планктон, с непредсказуемыми последствиями для естественных пищевых сетей, лесов и сельского хозяйства. Пожалуй, самая горькая ирония заключается в том, что аэрозоли снизят эффективность производства солнечной энергии (особенно солнечных установок с зеркалами и линзами для концентрации света), тем самым подрывая технологию, которая может снизить нашу зависимость от ископаемого топлива, породившую современные проблемы с климатом[111]. Поскольку сульфатные аэрозоли не действуют в темноте, когда им нечего отражать, их использование приведет к уменьшению дневных/ночных, летних/зимних и тропических/полярных перепадов температур. Это может вызвать резкие сдвиги в глобальных погодных факторах, которые определяются температурными контрастами и градиентами. Например, неясно, какое влияние это может оказать на многие сложные температурно обусловленные взаимодействия между атмосферой и океаном, такие как межгодовой цикл Эль-Ниньо и месячные-двухмесячные осцилляции Маддена - Джулиана, регулирующие погоду в Тихоокеанском бассейне. Многочисленные климатические модели, несмотря на значительные неопределенности, показывают, что на территориях, охваченных ежегодными азиатскими муссонами, следует ожидать резкого сокращения количества осадков[112]. Какая помощь будет оказана регионам, которые пострадают от атмосферных манипуляций? Учитывая нынешнее состояние глобального управления, представляется крайне маловероятным, чтобы такой продолжительный (растянутый на несколько поколений) геохимический эксперимент планетарного масштаба мог бы быть благополучно осуществлен и способствовал бы гармоничным отношениям между народами. И почему никто не говорит о том, что в этом случае небо станет белым, а не голубым?
Учитывая все вышесказанное, становится понятным, почему самые активные сторонники стратосферных сульфатных инъекций - либо экономисты, привыкшие рассматривать природу как товарную систему, чья "реальная" стоимость измеряется в долларах, либо физики, которые относятся к ней как к понятной и предсказуемой лабораторной модели. Часто можно услышать такой аргумент, что непреднамеренно спровоцированная нами модификация атмосферы из-за выброса парниковых газов достигла точки невозврата, когда у нас попросту "нет выбора", кроме как начать искусственно "управлять" климатом[113]. Но большинство геологов, зная длинную и сложную историю земной атмосферы, биосферы и климата, с их массовыми вымираниями, великими оледенениями, хрупкими пищевыми цепочками и мощными механизмами обратной связи, считают саму мысль о том, что люди могут "управлять" планетой, чрезвычайно опасным заблуждением. Что заставляет нас думать, что мы сможем контролировать природу в глобальном масштабе, если мы не научились контролировать даже самих себя?
Назад к природе
Углеродная угроза - не единственная экологическая проблема нашего времени, но она как нельзя более наглядно подчеркивает непреложный факт, а именно огромную асимметрию между временем, которое требуется для потребления, изменения или уничтожения природных ресурсов и явлений, и временем, необходимым для их восстановления. Я осознала эту суровую истину, глядя на осколки разбитого мною вдребезги турмалинового кристалла, просуществовавшего на Земле 1,5 млрд лет.
И в этом центральная проблема антропоцена. Наступление новой - "человеческой" - эпохи в истории Земли ознаменовалось не осознанием нашей ответственности за судьбу планеты, а как раз наоборот, стало переломным моментом, когда наше бездумное потребительское отношение к ней начало безвозвратно менять ход вещей. Вместо того чтобы говорить о "конце природы", нам бы стоило избавиться от иллюзии, что мы существуем вне нее. Ослепленные собственной силой, мы забыли, что мы - неотъемлемая частица несравнимо более древнего и более могущественного мира, постоянство которого мы принимаем как должное. Наш вид не настолько эволюционно пластичен, как нам хотелось бы верить; мы уязвимы к экономическим потрясениям и социальным волнениям, когда природа - в облике ураганов "Катрина", "Сэнди" или "Харви" - ведет себя не совсем так, как мы ожидали. Воспринимая как катастрофу даже небольшие погодные отклонения, мы пусть непреднамеренно, но запускаем куда более масштабные и менее предсказуемые экологические изменения, чем всё, с чем мы сталкивались до сих пор. Горькая ирония антропоцена заключается в том, что своим безоглядным воздействием на планету мы вынуждаем Природу снова взять власть в свои руки и обеспечить соблюдение своего свода законов - каким образом, мы пока можем только догадываться. Как показывает летопись окаменелостей, новый стабильный режим наступает после порой довольно длительных периодов планетарных биогеохимических потрясений.
Глава 6. Осознание Времени: утопии и наука
Разграничение между прошлым, настоящим и будущим - всего лишь устойчивая иллюзия.
Левиафан
Каждый год в феврале на льду озера Виннебаго, крупнейшего внутреннего водоема штата Висконсин, на несколько недель вырастают маленькие поселки, такие как Бригадунс. Виннебаго - это остаток гигантского ледникового озера Ошкош, которое образовалось в конце ледниковой эпохи из талой воды и оставило после себя осадочный слой тяжелой глины, ставший проклятием для местных садоводов. Озеро Виннебаго мелкое и летом часто приобретает тревожно зеленый оттенок из-за стоков с пастбищ и ферм, но пока еще поддерживает жизнеспособную популяцию озерного осетра. Каждую зиму, прежде чем направиться в притоки на нерест, осетры Виннебаго собираются в стаи - и над местами их сборищ на льду появляются временные рыбацкие поселки.
Осетр - крупная рыба: зарегистрированный рекорд по весу составляет почти 110 кг (как писала местная газета, эта рыбина весила больше, чем звездный полузащитник местного футбольного клуба "Грин-Бей Пэкерс"[114]). Эти рыбы живут дольше людей и ведут свою родословную с раннего мела. Ловят осетров не на изящную снасть с крючком и леской в пробуренной во льду лунке, а протыкают острогой-трезубцем в большой прямоугольной проруби. При всей жестокости этот способ добычи по крайней мере представляет собой честный поединок между рыбой и человеком. Рыбаки с острогами много часов и даже дней проводят в темных хижинах-времянках над прорубями, освещенных только потусторонним отблеском солнечного света, проникающего сквозь слой льда и отражающегося от дна озера. Когда мимо проруби проплывает осетр, что случается не так уж часто, рыбаку требуется немалая сноровка и физическая сила, чтобы нанести острогой точный и мощный удар, а затем вытащить из воды сопротивляющуюся сильную рыбину. Некоторые люди проводят в таких осетровых хижинах по 30 сезонов, так и не добыв ни одного осетра, а некоторые рыбы доживают до столетнего возраста, ни разу не попав под удар остроги.
Уже в 1910-е гг. сокращение популяции осетровых в озере Виннебаго и связанных с ним водоемах стало вызывать тревогу у местного населения. Из-за высоких цен на осетровое мясо и икру рыболовы-промысловики добывали максимальное количество рыбы. Зимой 1953 г., когда было выловлено почти 3000 рыбин, общественность осознала, что при таких темпах добычи осетры скоро будут полностью истреблены. Висконсинский департамент природных ресурсов и любители охоты на осетров решили объединить усилия, чтобы взять популяцию под контроль и установить годовые ограничения на вылов[115]. С тех пор во время весеннего нереста местные волонтеры из "Осетрового патруля" охраняют притоки рек, где самки заплывают на мелководье - так, что их спины высовываются из воды, - и откладывают икру на лежащие на дне камни, где ее затем оплодотворяют самцы. Биологи из Департамента природных ресурсов тщательно контролируют зимний лов осетровых. Как только отведенная на год квота исчерпана, сезон ловли закрывается, даже если был открыт всего несколько часов назад (в некоторые годы бывает и такое). Любители осетровой охоты уважительно относятся к этой системе, зная, что ее цель - сохранить полноценную популяцию осетров на будущее. На берегу озера, где начинаются ледяные дороги к временным рыбацким поселкам, устанавливаются весовые станции. Каждая выловленная рыба взвешивается, определяется ее пол и возраст - последний по спинному плавнику, который имеет такие же полосы роста, как годовые кольца у деревьев ("Да эта рыбина старше моей прабабушки! А эта родилась на свет еще при президенте Кулидже!"). У станций взвешивания всегда собираются толпы людей всех возрастов, желающих своими глазами увидеть гигантских обитателей параллельного первобытного мира, который существует совсем рядом с нами, но открывается для нас всего на несколько недель каждую зиму.
В поисках потерянного времени
Французский философ Бруно Латур утверждает, что определяющей чертой современного общества является "идея времени с его необратимым движением, которое полностью отменяло бы свое собственное прошлое"[116]. Мы полагаем, что наше мировоззрение отделено от прошлого "настолько радикальными... эпистемологическими разрывами... что после них ничто уже не может сохраниться от этого прошлого" и что наши технологии освобождают нас из-под гнета естественной истории, которая так долго определяла человеческий опыт. Считая себя навсегда изгнанными из прошлого, мы испытываем по поводу него смешанные чувства. Мы позволяем себе короткие приступы ностальгии, но высмеиваем людей, "живущих прошлым". Преобладающий консенсус состоит в том, что прошлое должно уходить в прошлое, уступая дорогу лучшему настоящему (помните эти старые раскладные телефоны?). Мы предостерегаем друг друга от того, чтобы становиться луддитами, скатываться к темному Средневековью, "погрязать" в прошлом.
Но, оказавшись выброшенными на остров Настоящего, мы остро ощущаем свое одиночество. Когда я вижу людей, собирающихся вместе на февральском морозе, чтобы посмотреть, как взвешивают большую, старую уродливую рыбину, я понимаю, что ими движет глубоко скрытое, очень "несовременное" желание воссоединиться с прошлым. Я думаю, что именно наше добровольное изгнание из прошлого является источником многих бед: и наше преступное отношение к окружающей среде, и экзистенциальная тревога коренятся в искаженном понимании нами места человечества в истории естественного мира. Мы, люди, гораздо лучше относились бы друг к другу и к нашей планете, если бы понимали, что мы связаны общим прошлым и общей судьбой, если бы мы рассматривали себя как счастливых наследников и будущих завещателей, а не как постоянных обитателей планеты Земля. Другими словами, нам нужны новые отношения со временем.
Современное представление о времени как об одностороннем векторе с безвозвратным движением только вперед обрекает нас на непреодолимый разрыв с прошлым. Более ранние общества и культуры, пронизанные культом духов предков и древними ритуалами, связывали живых, мертвых и еще не рожденных в единую временну́ю ткань, стирая границы между прошлым, настоящим и будущим. Буддийское понятие сати обычно переводится как "осознанность", т. е. сосредоточенность на текущем моменте, но его истинный смысл гораздо глубже - это "запоминание настоящего", вдумчивое осознание происходящего с позиции стороннего наблюдателя[117]. В культуре Ганы существует идея санкофы, которую символизирует птица, обернувшаяся к своему хвосту, - суть ее в том, что, двигаясь вперед, в будущее, необходимо также смотреть назад, в прошлое. В скандинавской мифологии мировое дерево Иггдрасиль, представляющее собой вселенную, поддерживается тремя таинственными норнами (женскими божествами) по имени Урд, Верданди и Скульд. Их имена буквально означают "судьба", "становление" и "долг" и ассоциируются соответственно с прошлым, настоящим и будущим, что предполагает странную для нас циклическую концепцию времени, в которой будущее заключено в прошлом[118]. Каждый день норны поливают мировое дерево из священного источника Урд, в котором текут древние воды, и читают "Орлог" - вечные законы, правящие миром. Оба этих акта воплощают собой идею вирда, или власти прошлого над настоящим[119].
Во многих смыслах геология занимается изучением "вирда" - того, как таинственное прошлое создало нынешний мир, как оно влияет на наше настоящее и как определяет наше будущее. Прошлое не уходит безвозвратно; на самом деле оно присутствует повсюду, зримо и осязаемо: в горных породах, ландшафтах, подземных водах, ледниках и экосистемах. Подобно тому как опыт проживания в любом городе обогащается знанием исторического контекста его архитектуры, наша жизнь становится гораздо богаче, когда мы учимся видеть характерные "стили" прошедших геологических эпох и ощущать нашу вписанность в геологическое время.
У меня часто возникает чувство, будто я живу не в одном Висконсине, а во множестве Висконсинов, существующих параллельно во времени. Глядя на окружающие ландшафты, я не могу не видеть осязаемых следов событий из естественной и человеческой истории, которые довелось пережить моему штату: вот леса, которые все еще восстанавливаются после массовой вырубки в XIX в.; вот реки, чьи русла были созданы потоками талых вод от ледяных щитов и затем служили надежными торговыми путями нашим предкам; вот золотистые песчаники, отмечающие собой берега палеозойских морей, а вот складчатые пласты гнейсов - сохранившиеся корни протерозойских гор. Ордовик для меня - не туманная абстракция: совсем недавно я бродила со студентами среди его рельефов! Для геологов каждый выход пород на поверхность - это портал в древний мир. Я настолько привыкла к такому "политемпоральному" мышлению, что всегда с удивлением обнаруживаю, что, оказывается, это не норма.
Висконсин - богатый водными ресурсами штат, омываемый двумя Великими озерами, усеянный тысячами более мелких водоемов, опутанный сетью рек и наделенный надежными водоносными горизонтами, пополняемыми каждый год благодаря обильным дождям и снегопадам. Тем не менее рост городов и сельскохозяйственных предприятий уже привел к кризису подземных грунтовых вод в некоторых частях штата. До недавнего времени законодательство штата ограничивало бурение мощных водозаборных скважин, с тем чтобы естественная скорость пополнения запасов подземных вод в отдельно взятых районах соответствовала скорости их забора. В зависимости от характера местных пород или ледниковых отложений расход естественного подземного стока может сильно варьироваться, и в зависимости от глубины скважины возраст забираемой воды исчисляется годами, десятилетиями или даже веками. Таким образом, чтобы обеспечить устойчивое поддержание водоносных горизонтов в каждом районе, необходимо учитывать его геологическую обстановку и антропогенную историю использования подземных вод. Но мыслящий категориями бизнеса генеральный прокурор штата недавно постановил, что Департамент природных ресурсов не имеет права рассматривать кумулятивный эффект от создания и эксплуатации скважин в любом отдельно взятом районе, поскольку "несправедливо" выдавать разрешение на бурение скважины одному молочному хозяйству и затем отказывать в разрешении другому[120]. Таким образом, генпрокурор своим указом определил, что прошлое и будущее не имеют никакого значения. Важно лишь настоящее - и сиюминутные коммерческие интересы.
Парадоксально, но технический прогресс породил общество, во многом более невежественное в научном отношении, чем доиндустриальный мир, где люди изучали физику через тяжелый физический труд, а климатологию - занимаясь натуральным сельским хозяйством, и никому бы и в голову не пришло утверждать, что его жизнь неподвластна законам природы. "Современный" тип магического мышления заключается в вере, что повторяемые как заклинания ложные утверждения могут превратиться в научную истину. Это связано также с поклонением культу свободного рынка, который, как утверждают его жрецы, каким-то образом позволит нам сколь угодно долго жить не по средствам.
Вероятно, корень проблемы кроется в том, что темпы технического прогресса намного опережают способность человечества к мудрому осмыслению происходящего (аналогично тому, как в периоды массовых вымираний скорость изменения окружающей среды обгоняет способность видов к эволюционной адаптации). Писатель и критик Леон Уисельтир утверждает, что "все новые технологии начинают использоваться прежде, чем осмысляются в полной мере; всегда существует запаздывание между инновацией и пониманием ее последствий"[121]. Быстрое устаревание цифровых технологий и порождаемая этим одержимость всем новым и "передовым" разъедает наше уважение ко всему мало-мальски долговечному ("Да это было целых пять минут назад!"). И аналогично тому, как привычка полагаться на GPS-навигаторы приводит к атрофии нашей способности ориентироваться в пространстве, не требующая усилий атемпоральная мгновенность цифровой коммуникации приводит к деградации нашего понимания структуры времени. На фоне "современной" мифологической убежденности в том, что реально лишь Настоящее, и неспособности понять, что наша слепота к прошлому ставит под угрозу наше будущее, средневековая концепция "вирда" поражает своей просвещенностью.
Наступит ли завтра?
Нелегко отказаться от привычки воспринимать Настоящее как остров, отделенный от остального времени непреодолимыми проливами. Нам нравится наше Настоящее с его привлекательной доступностью цифровых устройств, ограждающих нас от того, чтобы чересчур глубоко задумываться о прошлом или слишком тщательно планировать будущее. Вездесущая реклама вбивает нам в голову обещание вечной молодости и побуждает покупать очередные новики, чтобы сохранить иллюзию того, что мы неподвластны течению времени и что Настоящее никогда не закончится. В нашем обществе самые высокооплачиваемые люди - это управляющие активами в хеджевых фондах, получающие огромные деньги за написание торговых алгоритмов, способных принимать решения за доли секунд, в краткий миг "здесь и сейчас".
Если вы попытаетесь найти в интернете, что такое "седьмое поколение", то получите только ссылки на компанию по производству чистящих средств Seventh Generation (принадлежащую транснациональной корпорации Unilever). Между тем концепция "седьмого поколения", сформулированная более 300 лет назад в так называемой ирокезской "конституции пяти племен" Гайанашагова ("Великом обязательном законе", или "Великом законе мира")[122], сегодня остается такой же провидческой и актуальной, как и в прошлом: она гласит, что лидеры должны предпринимать какие-либо действия только после того, как обдумают все их вероятные последствия для "нерожденного будущего народа... чьи лица еще скрыты под поверхностью земли". Семь - это количество поколений от прапрадедов до праправнуков, на время существования которых приходится примерно полтора века, что дольше, чем жизнь одного человека, но не за пределами человеческого опыта. С точки зрения принципа "семи поколений" современное общество - это клептократия, ворующая у своих будущих потомков. Что нужно сделать для того, чтобы современный мир избавился от своего временно́го невежества и обрел ту мудрость, которой обладали наши далекие предки?
Но почему мы должны думать о будущем? В конце концов, как гласит популярный стикер на бамперах автомобилей: "Что сделали для нас будущие поколения?" Философ Сэмюэл Шеффлер утверждает, что на самом деле они делают для нас очень многое. По его словам, если бы мы знали, что человеческая раса прекратит свое существование вскоре после нашей смерти, наше восприятие жизни было бы радикально иным: "Знание того, что мы сами и все, кого мы знаем и любим, когда-нибудь умрут, не лишает большинства из нас веры в ценность нашей повседневной деятельности. Но знание того, что за нами не придут новые поколения, сделало бы многие из этих вещей бессмысленными"[123]. Вдохновленный антиутопическим романом Филлис Дороти Джеймс "Дитя человеческое", Шеффлер считает, что наша способность жить полной жизнью зависит от убеждения, что мы занимаем "место в продолжающейся человеческой истории, в бесконечной во времени цепи жизней и поколений".
Так как же мы можем отблагодарить будущие поколения за то, что они позволяют нам не терять здравого ума и смысла жизни? Если подходить чисто экономически, мы должны инвестировать в предотвращение будущих экологических проблем при условии, что будущие выгоды намного превосходят текущие издержки, - а все до единого экономические исследования ожидаемых последствий изменения климата показывают, что любая инвестиция сегодня многократно окупится в будущем. Для этого нам нужно "всего лишь" увеличить временной горизонт принятия экономических решений с нынешних финансовых кварталов до нескольких десятилетий и больше. Несколько лет назад группа экономистов и эволюционных биологов разработала игровую модель с целью определить, какие экономические стимулы или стратегии управления могут способствовать принятию долгосрочных - ориентированных на многие поколения вперед - решений в области ресурсопользования (результаты исследования были опубликованы в заставляющей задуматься статье под названием "Сотрудничество с будущим" в журнале Nature)[124]. Авторы обнаружили, что любой ресурс почти всегда истощается в течение одного поколения, если решения принимаются на индивидуальном уровне, обычно одним-двумя "предприимчивыми" игроками, которые изымают часть ресурса, намного превышающую ту, что другие считают справедливой или разумной. Это классический пример трагедии ресурсов общего пользования - растрачивания некоего коллективного ресурса (например, пастбища), который мог бы поддерживаться бесконечно долго при рациональном использовании, но который истощается в результате его неумеренного потребления несколькими эгоистичными игроками, движимыми личной выгодой (членами общины, которые пасут на общем пастбище слишком много овец)[125].
Но модель "Межпоколенческой товарной игры" также показала, что, если каждому поколению дать возможность голосованием решать, какое количество ресурсов будет израсходовано при его жизни, а после это количество (определенное как срединное значение) распределять между всеми игроками в равных долях, тогда по крайней мере какая-то часть ресурса будет передаваться нескольким будущим поколениям. Голосование позволяет честным игрокам, которые обычно составляют большинство, навязать свою волю недобросовестному меньшинству - игрокам, которые в нерегулируемой системе могли бы покуситься на бóльшую долю общинного ресурса, - и заставить их соблюдать установленные ограничения, отвечающие наилучшим интересам всей общины. Но эта система работает только в том случае, если голосование имеет обязательную силу. Лиге ирокезских племен не потребовалось ни теории игр, ни статистического анализа, чтобы понять эту важную истину.
Наши современники и время
Проблема современного общества в том, что нам не хватает ни сознательной мотивации, ни политико-экономической инфраструктуры для перехода к межпоколенческой парадигме. Привычку к ограниченному атемпоральному мышлению трудно преодолеть. Возможно, в этом нам помогут вдохновляющие художественные проекты, цель которых - побудить нас ощутить целостность времени: настоящего, прошлого и будущего. Фотограф Рейчел Сассмэн объехала весь мир, чтобы сделать красочные портреты живых организмов возрастом старше 2000 лет (миллениалов в истинном смысле этого слова)[126]: мозгового коралла - ровесника Платона; баобабов и остистых сосен, бывших молодыми всходами в эпоху строительства Стоунхенджа; австралийских строматолитов, продолжающих вести свой размеренный коммунальный образ жизни со времен протерозоя; сибирских почвенных бактерий, которые пребывали в законсервированном состоянии на протяжении 700 000 лет, пережив шесть оледенений, и недавно были разбужены антропоценовым потеплением. Эти древние создания помогают нам осознать совершенно иные отношения со временем, давая возможность заглянуть далеко за горизонт отведенного нам жизненного пути.
Творчество японского концептуального художника по имени Он Кавара посвящено исследованию хроноса - восприятию чистого течения времени, лишенного всякого нарратива[127]. За период с 1966 по 2013 г. он создал серию работ под общим названием "Сегодня", каждая из которых представляет собой темный холст, на котором белой краской типографским шрифтом выведена очередная дата. В рамках другого проекта, продолжавшегося с 1970 по 2000 г., Кавара отправил своим знакомым сотни телеграмм с коротким сообщением "Я все еще жив" (этот проект пережил свое "художественное средство" - телеграммы). В буклетах к выставкам он всегда указывал свой возраст в количестве прожитых дней. Еще один грандиозный проект художника под названием "Один миллион лет" - это 20 массивных томов, страницы которых заполнены столбцами дат с 998 031 г. до н. э. и вплоть до 1 001 997 г. н. э. (по одному миллиону лет до и после 1997 г.). Бо́льшая часть первой половины этого труда хронологически совпадает с (признаюсь, куда более интересной) 700 000-летней летописью антарктических ледяных кернов. В настоящее время, после смерти Кавары, продолжается начатый им проект по публичному чтению "Одного миллиона лет": даже при очень беглой скорости 100 цифр в минуту на чтение всех томов уходит семь полных суток.
Проект Кэти Патерсон "Библиотека будущего" в Осло объединяет людей и деревья в творческом альянсе по созданию кайроса - времени, наполненного смыслом. Каждый год специальный комитет (нынешние члены которого когда-нибудь умрут и уступят место новым) выбирает одного автора и предлагает ему написать небольшое произведение, предназначенное для будущих поколений (честь стать первым автором "Библиотеки будущего" выпала канадской писательнице Маргарет Этвуд). Законченная рукопись, содержание которой не разглашается, запечатывается в коробку и передается на хранение в Публичную библиотеку им. Карла Дейхмана в Осло. Одновременно с началом проекта недалеко от столицы был посажен хвойный лес. В 2114 г., когда деревьям исполнится по 100 лет, их спилят и сделают из них бумагу, на которой будет напечатана антология этих произведений. Для финансирования проекта создан специальный траст, который гарантирует его продолжение после смерти основателей "Библиотеки".
В сентябре 2001 г. в старинной церкви XIV в. в городке Хальберштадт (Германия) начало исполняться органное произведение композитора-новатора Джона Кейджа под названием ORGAN2/ASLSP (As SLow aS Possible - "Так медленно, как только возможно")[128]. Концерт, который начался в 89-летний день рождения Кейджа, продлится 639 лет. За прошедшие годы сыграна всего дюжина аккордов: каждый аккорд звучит от нескольких месяцев до нескольких лет благодаря грузам, удерживающим педали органа. Как и в случае "Библиотеки будущего", этот многовековой концерт потребует сотрудничества многих поколений.
Разумеется, нельзя не упомянуть и про "10 000-летние часы", разработанные изобретателем Даниэлем Хиллисом, которые в настоящее время строятся внутри горы в западном Техасе некоммерческой организацией Long Now Foundation[129]. Чтобы часовой механизм проработал 10 000 лет, завод будет осуществляться благодаря расположенным на поверхности пневматическим камерам из нержавеющей стали, которые будут расширяться и сжиматься при изменении наружной температуры. Ход часов будет отмерять двухметровый крутильный маятник из титана, а под куполом из сапфирового стекла расположится аппарат коррекции, который будет периодически "подводить" часы, сверяясь с положением Солнца на небе. Хиллис говорит, что создание механизма, рассчитанного на такой непостижимо длительный по человеческим меркам срок службы, требует совершенно иного отношения ко времени. Например, игнорирование високосных секунд на протяжении 10 000 лет приведет к тому, что часы забегут вперед на 30 дней. За это время Земля переместится в противоположную точку прецессионного цикла, так что в период зимнего солнцестояния к Солнцу будет наклонено Северное полушарие. Также необходимо учесть множество других факторов, связанных с возможными изменениями окружающей среды. Например, если глобальное потепление ускорит таяние ледников, перемещение значительной массы с полюсов в океаны может повлиять на орбиту Земли[130].
Заманчиво отмахнуться от подобных проектов как от любопытных, но бессмысленных причуд. Однако у них важная миссия - заставить нас переосмыслить наше восприятие Времени и своего места в нем. Более того, они могут послужить полезными примерами для создания инфраструктур, ориентированных на долгосрочное будущее и тесное сотрудничество между поколениями. Сегодня практически ни одна частная компания или государственная структура не может позволить себе горизонт планирования дольше, чем несколько финансовых лет или период до следующих выборов. Растущая концентрация мирового богатства в руках крошечного меньшинства означает, что бо́льшую часть населения мира по-прежнему будет волновать только выживание здесь и сейчас, а не забота о будущем. Пожалуй, единственные, кто сегодня может позволить себе думать о грядущих поколениях и имеет возможность осуществлять гуманитарные проекты, рассчитанные на десятилетия, - это частные благотворительные фонды, созданные на деньги сверхбогатых людей. Хотя их деятельность, безусловно, заслуживает всяческих похвал, нельзя отрицать ее фундаментальной антидемократичности: получается так, что сегодня забота о будущем находится в руках небольшой горстки самых богатых людей, - а у некоторых из них весьма бредовые представления о том, каким оно должно быть.
Возьмите, например, моду на строительство роскошных "климатических бункеров" - современных вариантов противорадиационных убежищ, где сверхбогатые люди смогут в комфорте пережить климатический катаклизм, в то время как остальная часть человечества будет страдать от невыносимой жары, от голода из-за хронического неурожая, от наступления моря и множества других тяжких невзгод[131]. Многие из них - миллиардеры из Кремниевой долины, чьи высокотехнологичные компании буквально излучают оптимизм по поводу будущего. Однако их подлинный план, по-видимому, состоит в том, чтобы продавать эту иллюзию массам, в то время как самим потихоньку готовиться к апокалипсису. Среди этих сверхбогачей есть и витающие в облаках футуристы, которые уверенно утверждают, что терраформирование Марса не только реально осуществимо, когда придет время оставить эту планету, но и является естественным и неизбежным продолжением стремления человечества к освоению новых рубежей. Такое мышление поражает своей глубокой темпоральной дисморфией - искаженным пониманием времени, которое усугубляется как невежественным игнорированием факта долгой коэволюции Земли и жизни на ней, так и наивным отрицанием нашей собственной истории как вида. Если на то пошло, был ли за все столетия нашего существования хоть один прецедент, когда мы, люди, сумели бы реализовать конструктивный международный проект (т. е. нечто иное, нежели уничтожение коренных цивилизаций), который требовал огромных расходов без немедленной окупаемости? И каким образом мы вдруг сможем процветать на чужом планетарном теле, с которым мы не связаны общей эволюционной историей, если мы не научились заботиться друг о друге даже на этой родной, дружелюбной и гостеприимной планете?
Между тем на другом конце экономического спектра существует иная модель долгосрочного лидерства, предлагаемая американскими коренными народами, которым удалось выжить и сохранить свою культуру, несмотря на столетия геноцида, нарушения договоров и ужасающую бедность, благодаря тому, что писатель и теоретик культуры Джеральд Визенор называет "преемственностью". Согласно Визенору, члену племени оджибве из резервации Белая земля в штате Миннесота, "преемственность - это продолжение историй... переходящее от поколения к поколению право на наследование"; преемственность коренится в глубокой, унаследованной от предков привязанности к земле, ограниченной небольшими резервациями - конечными мирами[132]. Такое мировоззрение ценит долговечность выше завоеваний; самоограничение выше потребления, а непрерывность выше новизны. Ему присущ глубокий и объективный, отчасти ироничный и самоуничижительный взгляд на щедрость и капризность природы, а также на лучшие и худшие проявления человеческой натуры.
В последние годы индейские племена все активнее выступают в роли лидеров в области охраны окружающей среды, ведя многолетние наблюдения и собирая обширные массивы данных, организуя массовые протесты и инициируя судебные процессы против владельцев шахт и трубопроводов, угрожающих общественным природным ресурсам. Созданная племенами Висконсина, Миннесоты и Мичигана совместная Индейская комиссия по охране дикой природы и рыбных ресурсов Великих озер (Great Lakes Indian Fish and Wildlife Commission, GLIFWC) координирует усилия не только индейских племен, но и неиндейских экологических организаций в области природоохранных инициатив, общественного образования и юридических действий[133]. Когда губернатор штата заявил: "Висконсин открыт для бизнеса", а законодательное собрание за несколько месяцев избавилось от принимавшихся на протяжении четырех десятилетий природоохранных законов, Комиссия выступила за принятие Доктрины общественного доверия, которая обязывает правительство защищать озера и реки для общего блага. Какая горькая ирония: после всех несправедливостей и лишений, которые пришлось претерпеть коренным племенам, сегодня они остаются самыми искренними патриотами, стремящимися спасти Америку от самой себя.
Далекое будущее
Когда мы заглядываем в геологическое будущее, возникает парадокс: отдаленные события видятся нам гораздо лучше, чем то, что может случиться в ближайшее время. Наше Солнце, звезда G-типа, находится примерно в середине своего срока жизни и примерно через 5 млрд лет войдет в стадию красного гиганта, поглотив Землю и другие внутренние планеты. Но за 3 млрд лет до этого неуклонное увеличение яркости Солнца приведет к испарению земных океанов, водяной пар от которых создаст на Земле экстремальный парниковый эффект. Когда вся вода улетучится в космос, система углеродно-силикатного выветривания, на протяжении миллиардов лет обеспечивавшая изъятие вулканического CO2 из атмосферы, прекратит функционировать, что приведет к дополнительному усилению парникового эффекта, который, вероятно, сделает условия на поверхности планеты невыносимыми для любой жизни примерно через 2 млрд лет от настоящего момента[134]. Тектоника Земли, тесно связанная с присутствием воды, также претерпит серьезные изменения. Благодаря переносу морской воды в мантию субдуцирующими плитами, дуговый вулканизм будет продолжаться еще несколько сотен миллионов лет после исчезновения поверхностной воды. Но без охлаждающего эффекта морской воды океаническая кора будет гораздо дольше оставаться горячей и более плавучей, что будет препятствовать субдукции и изменит темпы тектонических процессов.
В течение по крайней мере ближайшего миллиарда лет тектоника плит продолжит перемещать континенты вокруг земного шара. Атлантический океан начнет закрываться, и примерно через 250 млн лет от настоящего момента Америка воссоединится с Европой и Азией в новом суперконтиненте, которому геофизик Кристофер Скотезе уже дал название "Пангея Ультима"[135]. Эрозия постепенно разрушит Гималаи, Альпы и Скалистые горы, а реки унесут остатки гор в океаны.
Примерно через 80 000 лет эксцентриситет земной орбиты, изменяющийся согласно циклу Миланковича, уменьшится настолько, что может наступить очередной ледниковый период, но это будет зависеть от концентрации парниковых газов, циркуляции океана, состояния биосферы и многих других переменных. Но труднее всего спрогнозировать, что ждет нас через тысячу лет, т. е. через такой же промежуток времени, который отделяет нас от эпохи викингов. Если антропогенная эмиссия CO2 не будет резко ограничена и запустятся мощные механизмы положительной обратной связи, Землю может ожидать повторение палеоцен-эоценового термического максимума. Уровень моря повысится на несколько метров, затопив многие из самых густонаселенных городов мира. Изменение погодных условий, включая более свирепые ураганы, более длительные и интенсивные засухи, негативно отразится на мировом производстве продуктов питания. Государства будут вынуждены направлять все бо́льшую часть своих бюджетов на борьбу с кризисами. Баланс геополитических сил изменится в зависимости от того, насколько хорошо те или иные страны сумеют приспособиться к новому климатическому режиму.
Но ничто из этого не предопределено. В наших силах написать другую историю для наступающего тысячелетия. Вместо того чтобы погружаться в экзистенциальное отчаяние из-за того, что через миллиард лет человечество прекратит свое существование, мы должны сделать все, чтобы достойно прожить по крайней мере следующие несколько столетий.
Хронотопия
Сегодня мы живем в темном и невежественном - с точки зрения восприятия времени - средневековье. Но давайте попробуем представить, как может выглядеть просвещенное в этом отношении общество. В своем последнем публичном интервью Курт Воннегут сказал: "Вот горькая правда... никогда ни в одном правительстве не было министра будущего... и у государства нет никаких планов насчет того, как будут жить мои внуки и правнуки"[136]. Что, если мы воспользуемся идеей Воннегута: включим в число высших советников президента представителя еще не родившихся поколений и создадим Министерство будущего, которое будет отвечать за соответствующее согласование приоритетов во всех аспектах жизни общества? Сохранение природных ресурсов снова станет основополагающей ценностью и патриотической добродетелью. Налоговые льготы и субсидии будут изменены таким образом, чтобы максимально поощрять долгосрочное ответственное управление, а не сиюминутное потребление. Установление адекватной цены на углеродные выбросы поможет нам протрезветь, обуздать зависимость от ископаемого топлива и, вместо того чтобы расходовать ресурсы на рукотворные климатические катастрофы, начать готовиться к стихийным бедствиям, которые произойдут по естественным причинам, таким как сотни мощных землетрясений, ожидаемых в следующем столетии.
Бедность и классовое неравенство будут признаны фундаментальными проблемами с глубокими историческими корнями, решение которых требует целенаправленных усилий на протяжении обозримого периода времени в будущем. Школьные учителя, отвечающие за воспитание молодого поколения, и представители других профессий, связанные с инвестициями в будущее, будут пользоваться почетом и хорошо оплачиваться. Геология будет включена во все учебные программы, возможно как итоговый интеграционный курс, в рамках которого студенты будут учиться применять знания из области физики, химии и биологии к такой чрезвычайно сложной и живой системе, как Земля. Благодаря лучшему пониманию нашей планеты эти молодые люди станут просвещенными избирателями, которые будут требовать от государства и его представителей ответственного управления общими природными ресурсами, включая воду, землю и воздух. Чтобы заслужить доверие таких избирателей и быть переизбранными на второй срок, законодатели, губернаторы и мэры будут состязаться в продвижении инициатив, направленных на защиту интересов "седьмого поколения".
Школы будут давать детям глубокие знания в области истории и естествознания, помогая им осознать свое место во Времени, и прививать интерес к этим наукам, вызывая желание узнать еще больше. Мы, люди, с рождения любим увлекательные истории, а что может быть увлекательнее, чем драматическое повествование о геологическом прошлом. Как показало одно заслуживающее внимания психологическое исследование, неприятие концепции эволюции коренится больше в экзистенциальном страхе, чем в религиозной вере, и зачастую исчезает, когда люди больше узнают о естественной истории нашего мира[137]. Серия контролируемых экспериментов показала, что напоминание о смертности заставляет многих людей - самых разных вероисповеданий - склоняться в пользу креационизма с его концепцией "разумного замысла", которая служит своего рода защитой перед лицом серьезной психологической угрозы. Но исследователи также обнаружили, что те же самые люди, после прочтения ими коротких научно-популярных статей по естественной истории, становились менее восприимчивы к антиэволюционным суждениям и, казалось, находили такое же психологическое утешение в научном нарративе. Как поэтически написал Дарвин в заключительных строках "Происхождения видов":
Это величие всегда распространялось и на нас, людей; просто мы терзали сами себя мыслью, что существуем вне этого райского сада.
В 1973 г. генетик Феодосий Добржанский, возмущенный попытками "научных креационистов" переписать содержание учебников по биологии, написал классическое эссе под названием "Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции"[138], которое служило путеводной звездой для многих поколений студентов-естествоиспытателей. В 1990-е гг. ученые и популяризаторы науки Ричард Докинз и Сьюзан Блэкмор расширили границы эволюционного мышления, выдвинув концепцию "универсального дарвинизма", которая утверждает, что законы эволюции и естественного отбора распространяются и на любые другие системы, в том числе на культурный эквивалент гена, который они назвали мемом (хотя сегодня этот термин "эволюционировал", и теперь так чаще называют видео с котиками и демотиваторы с надписями крупным шрифтом, столь популярные среди пользователей интернета). Физик-теоретик Ли Смолин пошел еще дальше, предположив, что эволюция носит буквально "вселенский" характер. Он утверждает, что только естественный отбор, действовавший на популяцию предшествующих вселенных, может объяснить такую невероятную согласованность фундаментальных физических параметров, которая позволяет нынешней Вселенной стабильно существовать вот уже много миллиардов лет. Физические "константы" могли эволюционировать со временем точно так же, как адаптивные признаки живых организмов[139]. Хотя эта идея Смолина не получила, так сказать, "вселенского" признания в космологическом сообществе, интересно видеть, как дарвиновское мышление проникает в научные сферы, некогда считавшие себя свободными от всякой темпоральности.
Тогда как ученые видят, что все в природе связано непрерывными нитями эволюции, разные поколения людей все больше отдаляются друг от друга, что вызвано как используемыми технологиями, так и мемами - единицами культурной информации, которые у них в ходу. У нас практически нет мест, где люди всех возрастов могут собраться вместе и ощутить себя единым человеческим сообществом, испытать то, что Зигмунд Фрейд называл "океаническим чувством"[140], а философ и социолог, разработавший свою теорию религии, Эмиль Дюркгейм - "коллективным брожением"[141]. Нам нужны такие пространства, где дети с самого раннего возраста смогут увидеть, что они идут по древнему, священному пути, простирающемуся как в глубь прошлого, так и в даль будущего, и что богатство жизни создается в универсальном, свойственном всему сущему процессе развития (эволюции), поэтому к взрослению и старости следует относиться с уважением, а не со страхом. Традиционно эту функцию выполняли религиозные организации, но сегодня нам нужно целенаправленно искать новые формы объединения - хоры, общественные парки, кулинарные школы, проекты по устной истории, группы по наблюдению за птицами, рыболовные клубы, которые могут играть роль таких "межпоколенческих общин".
Лично меня связывают тесные дружеские отношения с людьми многих поколений, намного старше и гораздо младше меня, из разных стран и разных культур, благодаря объединяющей всех нас страсти к геологии. Во время экспедиций мы вместе ломаем голову над необычными породами, восхищаемся прекрасными пейзажами, держимся за руки при переходе через бурные горные речки и по-братски делимся сомнительной на вкус стряпней, приготовленной на походных горелках. Любопытно, что, в отличие от других наук, где ученые делают самые выдающиеся открытия, как правило, в возрасте до 30 лет, геологи "созревают" гораздо медленнее и часто вносят свой самый важный вклад в науку в конце карьеры, проведя бо́льшую часть жизни в компании камней.
Геология как научная дисциплина прошла похожий эволюционный путь. Упрощенные викторианские представления о планете - догма строгого униформизма, убежденность в незыблемости континентов, отрицание массовых вымираний - уступили место более смиренному пониманию того, что Земля - невероятно сложная планета, способная кардинально менять свой облик и поведение и до сих пор таящая в себе множество неразгаданных тайн. На мой взгляд, геология помогает обрести золотую середину между грехом нарциссической гордыни, питаемой слепым антропоцентризмом, и экзистенциальным отчаянием, проистекающим из осознания нашей бренности. Такое мировоззрение напрямую перекликается с учением, приписываемым польскому раввину XVIII в. Симхе Буниму, который говорил, что каждый человек должен носить с собой в кармане две записки-напоминания: одну со словами "Я прах и пепел", другую - "Мир создан для меня".
Сама Земля с ее древней историей и общим наследием способна стать нашим учителем, который поможет нам, людям, найти общие ценности и переосмыслить себя как граждан одной планеты, требующей нашей общей заботы. Возможно, изучение прошлого Земли побудит нас создать Министерство будущего, под руководством которого мы начнем соизмерять свою деятельность с естественными темпами земных процессов, положим конец антропоцену и вернем к власти старый добрый униформизм.
Полное осознание Времени
Как многие из тех, у которых детство или детство их детей пришлось на последние полвека, я люблю классическую книгу Мориса Сендака "Там, где живут чудовища" (Where the Wild Things Are){16}. Это аллегорическая история о силе воображения, способного перенести нас в другие миры, преодолеть границы времени и побороть худшую сторону своей натуры. Я всегда представляю себе путешествие мальчика Макса, когда читаю студентам курс "История Земли и жизни", в котором ставлю перед собой дерзновенную цель - рассказать о 4,5 млрд лет истории нашей планеты за один академический семестр (получается примерно по 400 млн лет в неделю). Мы словно отправляемся со студентами в невероятно долгое путешествие: бродим по древним ландшафтам, наблюдаем за движением континентов, переживаем биогеохимические революции, падения астероидов, ледниковые эпохи и массовые вымирания, восхищаемся удивительным разнообразием "чудовищ" и, наконец, начинаем различать все более узнаваемые черты современного мира, подобно тому как комната Макса постепенно очищается от диковинной растительности и его взору предстает знакомая кровать и стол с горячим ужином.
Мы возвращаемся в настоящее усталые, но довольные, с пониманием того, что наш мир несет в себе следы всех этих более ранних миров, которые присутствуют повсюду: в камнях под нашими ногами, в воздухе, которым мы дышим, в каждой клеточке нашего тела. Геология позволяет нам совершить самый близкий аналог путешествия во времени: перенестись из настоящего в любой момент прошлого и увидеть возможные сценарии будущего. Геологическое мышление предлагает нам всю полноту осознания времени: сплав вирда и санкофы (понимания связи прошлого с настоящим), сати (запоминания настоящего) и принципа "седьмого поколения" (своего рода ностальгии по будущему). Это отчасти похоже на то, как родители, глядя на растущих детей, с легкой грустью вспоминают их в раннем детстве и одновременно связывают свои надежды и мечты с их будущим.
Если мы все придем к такому осознанию Времени, это существенным образом изменит наше отношение к природе, другим людям, самим себе. Признание того, что наши личные и культурные истории вписаны в гораздо более длительную, сложную - и продолжающую развиваться - историю Земли, поможет нам избавиться от антропоцентрической спеси. Мы научимся ценить стабильность и долговечность и объективно оценивать новое и "прорывное". Понимая, в какой мере жизнь каждого из нас зависит от исторической случайности, мы будем относиться друг к другу с большей эмпатией. И наконец, взгляд на мир через призму политемпоральности, осознания времени, может избавить нас от тревоги по поводу собственной смертности, переключив наше внимание с конечности нашей жизни на богатейшую антологию опыта, приобретаемого и переживаемого человеком на протяжении жизненного пути. В отличие от других чувств, которые с возрастом могут притупляться, чувство времени, развивающееся только через его прожитие, лишь обостряется. Приходящее с годами понимание того, как именно мир стал таким, какой он есть, что разрушалось и погибало, а что выживало и сохранялось, учит нас видеть разницу между эфемерным и вечным и помогает избавиться от иллюзии о незыблемости этого мира.
Как члены технологического общества, которое может держать Природу на расстоянии вытянутой руки бо́льшую часть времени, мы ведем себя по отношению к Земле как аутисты. Да, мы можем быть гениальными, когда дело касается определенных навязчивых идей, но проявляем крайнюю косность и даже неадекватность во многом другом. Мы дистанцируемся от мира природы, считаем Природу немой и бесчувственной, чуждой для нас сущностью, с которой невозможно общаться, ассоциировать себя и которой тем более невозможно сопереживать.
Но Земля все время говорит с нами. В каждом камне кроется некая вечная истина или полезная подсказка, в каждом живом листке - прототип электростанции, в каждой экосистеме - образец здоровой экономики. Как писал один из основоположников экологической этики Олдо Леопольд, мы должны "думать как гора", стремясь постичь все особенности и повадки этой древней, сложной, бесконечно эволюционирующей планеты и ее обитателей.
Эпилог
В 1905 г. Джон Манро Лонгйир, мичиганский магнат в сфере лесной и горнодобывающей промышленности, разбогатевший на разработке железных руд протерозойской полосчатой железистой формации в районе Верхнего полуострова, начал геологоразведочные работы в отдаленной части Северной Норвегии в надежде открыть здесь новый "железный хребет"{17}. Для переплавки руды ему требовался уголь, а ближайшее угольное месторождение находилось на Шпицбергене (это были остатки древних тропических лесов, некогда росших на этом полярном архипелаге). Лонгйир перекупил заявку на горный отвод у небольшой компании из Тронхейма, создал собственную Арктическую угольную компанию (Arctic Coal Company) и основал на Шпицбергене поселение Лонгйирбюен - кусочек Дикого Запада на Крайнем Севере. (Те, кто не знает о происхождении этого названия, шутят, что оно отражает неспешное течение времени в этом городке на краю света{18}.) Но добыча железной руды на материке оказалась экономически невыгодной, и Лонгйир продал угольные шахты на Шпицбергене норвежцам, а уголь продолжали добывать здесь еще больше века. В начале 2000-х гг. часть штолен, проложенных в недрах гор, возвышающихся над Лонгйирбюеном, была перепрофилирована в крупнейшее в мире хранилище семян (рис. 12).
Всемирное хранилище семян на Шпицбергене, известное также как "хранилище Судного дня", - это библиотека генетического разнообразия, где разные страны хранят образцы семян старых сортов основных сельскохозяйственных культур на тот случай, если вдруг произойдет какая-либо катастрофа (это может быть развитие новых болезней растений или резкие изменения окружающей среды, требующие новой быстрой адаптации). Другими словами, это хранилище в недрах горы однажды может спасти мир от голода. Семена - это автономные капсулы, готовые путешествовать во времени и оживать даже спустя десятилетия глубокого сна. Заброшенная шахта на Шпицбергене, территории без официально установленного времени, стала порталом в будущее.
Наши безмятежные голоценовые дни подходят к концу; мы вступаем в эпоху антропоцена. Мы все пребывали в иллюзии, что нам, как маленьким детям, позволено творить в собственном доме все что угодно, а наша заботливая мать Природа всегда приберет за нами и будет встречать с радушным гостеприимством. Но теперь мы должны повзрослеть и осознать, что сами должны позаботиться о нашем доме. Атлас прошлого поможет нам найти потерянное нами Время.
Приложения
Приложение I. Геохронологическая шкала (упрощенный вариант)
Приложение II. Продолжительность и скорость земных явлений
1. Глубоко эродированные корни горных поясов со слабо выраженным рельефом могут просуществовать еще миллиарды лет.
2. May, R., Lawton, J., and Stork, N., 1995. Assessing extinction rates. In Lawton, J., and May, R. (eds.), Extinction Rates. Oxford: Oxford University Press, Oxford, pp. 1-24.
3. imm, S., et al., 1995. The future of biodiversity. Science, 269, 347-350.
В геохимии под временем пребывания понимается продолжительность времени, в течение которого данное вещество обычно остается в данной среде или резервуаре. Время перемешивания - это время, которое требуется для достижения однородной концентрации данного конкретного вещества в данном резервуаре. Если время пребывания больше времени перемешивания, данное вещество равномерно распределяется по всему резервуару (например, соль в океанах, углерод в атмосфере). Если же время пребывания меньше времени перемешивания, концентрация этого вещества в резервуаре будет неоднородной (например, углерод в океанах).
4. Университетская корпорация атмосферных исследований, Центр научного образования, "Круговорот воды", 2011; https://scied.ucar.edu/longcontent/water-cycle.
5. Kump, L., Kasting, J., and Crane, R., 1999. The Earth System. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, pp. 134, 146.
6. Wilkinson, B., 2005. Humans as geologic agents. Geology, 33, 161-164. doi:10.1130/G21108.1
7. Church, J., and White, N., 2011. Sea level rise from the late 19th to early 21st century. Surveys in Geophysics, 32, 585-602. doi:10.1007/s10712-011-9119-1
8. Американская программа исследования глобальных изменений. Третья национальная оценка климата, 2014; http://www.globalchange.gov/nca3-downloads-materials.
9. Gerlach, T., 2011. Volcanic vs. anthropogenic carbon dioxide. EOS, 92, 201-208. doi:10.1029/2011EO240001
Приложение III. Экологические кризисы в истории Земли: причины и последствия
1. Для пяти массовых вымираний в скобках указано их ранжирование с точки зрения уровня вымирания.
2. Источник данных: Barnosky, A., et al., 2011. Has the sixth mass extinction already arrived? Nature, 471, 51-57. doi: 10.1038/nature 09678
3. Значение Δδ13C отражает изменение соотношения стабильных изотопов углерода (13C и 12C) в морской воде относительно фонового значения и, таким образом, является мерой нарушения углеродного цикла. δ13С ("дельта C-13") определяется как [(13C/12C кальцитового образца - 13C/12C кальцитового стандарта)/13C/12C кальцитового стандарта] × 1000. (Умножение на 1000 используется для получения целочисленных значений; вариации в соотношении 13C/12C измеряются в частях на тысячу.) Δδ13C ("дельта-дельта С-13") показывает изменение значения δ13С за некоторый период времени. Отрицательное значение Δδ13C указывает на высвобождение биогенного (фиксированного путем фотосинтеза) углерода. Положительное значение указывает на тенденцию к секвестрации органического углерода и/или на преобладание вулканического CO2 над выбросами биогенного углерода.
4. http://www.snowballearth.org
5. Buggish, W., and Joachimski, M., 2006. Carbon isotope stratigraphy of the Devonian of Central and Southern Europe, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 240, 68-88.
6. Erwin, D. H., 1994. The Permo-Triassic extinction. Nature, 367, 231-236. doi:10.1038/367231a0
7. Schoene, B., et al., 2010. Correlating the end-Triassic mass extinction with flood basalt volcanism at the 100,000 year level. Geology, 38, 387-390. doi:10.1130/G30683.1
8. Tipple, B., et al., 2011. Coupled high-resolution marine and terrestrial records of carbon and hydrologic cycles variations during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). Earth and Planetary Science Letters, 311, 82-92. doi:10.1016/j.epsl.2011.08.045
9. Friedli D., et al., 1986. Ice core record of the 13C/12C ratio of atmospheric CO2 in the last two centuries. Nature, 324, 237-238.
Траектория
Книга, которую вы держите в руках, увидела свет благодаря поддержке Фонда некоммерческих инициатив "Траектория".
С целью популяризации науки в обществе, вовлечения молодежи в процесс познания фонд организует и поддерживает образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует изданию на русском языке качественных научнопопулярных книг, реализует программы поддержки учительского сообщества, а также проекты в области культуры и сохранения культурного наследия.
Поддержать "Траекторию" очень просто.
Страничка фонда "Траектория" появилась на платформе "Нужна помощь", а это значит, что организация успешно прошла экспертную проверку благотворительного сообщества и вы теперь сможете сделать разовое пожертвование или помогать фонду ежемесячно - без лишних затрат времени, без комиссий и безопасно.
Помочь фонду можно, сделав перевод через интернет с банковской карты или электронного кошелька, отправив SMS или распечатав квитанцию с реквизитами для оплаты в банке.
https://nuzhnapomosh.ru/funds/traektoriya/
Подробнее о деятельности фонда "Траектория" читайте на сайте: www.traektoriafdn.ru