Несомненно, вы знаете, что каменный уголь получился из ископаемых остатков древних деревьев. А на страницах этой книги мы постоянно видели, что геологический период, ставший эпохой самого бурного и повсеместного образования каменного угля, обладал некоторыми особенностями. Преобладавшие тогда условия привели к глубочайшим последствиям для всей истории жизни на Земле.

Хотя растения колонизировали сушу примерно 470 миллионов лет назад, эволюционировав из ветвистых зеленых водорослей, обитавших в озерах, у них ушло довольно много времени на то, чтобы накопить достаточно зеленой массы для образования первых залежей каменного угля – еще очень скудных. За почти 400 миллионов лет, когда наша планета была покрыта обширными лесами, самые богатые и распространенные залежи угля, несомненно, возникли в каменноугольный период протяженностью 60 миллионов лет, который закончился около 300 миллионов лет назад. Недаром он так назван. В истории нашей планеты были и другие, более поздние периоды, когда образовывался каменный уголь, но каменноугольный период лидирует просто по объему и распространенности угольных пластов. Этим коротким промежутком датируется около 90 % угля, который мы использовали со времен Промышленной революции.

В норме, когда живые организмы умирают, будь то дуб или дятел, они разлагаются, и углерод из органических молекул в их организме возвращается в состав углекислого газа в воздухе, который затем снова захватывается растениями в ходе фотосинтеза. Чтобы за каменноугольный период такие колоссальные количества углерода превратились в уголь, нужно как-то блокировать процесс разложения, и складывается впечатление, что в те времена по каким-то причинам общий механизм переработки углерода на Земле не работал. Деревья умирали, но не гнили. Погибшие растения накапливались на земле, превращались в торф, который уходил все глубже и глубже под новыми слоями зелени и запекался в каменный уголь под воздействием внутреннего жара планеты.

Для накопления торфа нужно, в сущности, одно: чтобы растения росли быстрее, чем отмерший материал успевал распасться или на более длительном временном масштабе отложения физически подвергся эрозии. Похоже, равновесие нарушили роскошные зеленые леса в низкой болотистой местности: там мертвые деревья оказывались погребены под землей без кислорода, не успев полностью разложиться.

В каменноугольный период наш мир выглядел совсем иначе. В этом глубочайшем прошлом рисунок континентов, постоянно дрейфовавших по поверхности Земли под воздействием тектоники плит, был неузнаваем. Крупные массивы суши то и дело сталкивались друг с другом, соединялись и в конце концов составили сверхконтинент Пангею.

Вдоль экватора на плитах, которые теперь превратились в Северную Америку и Западную и Центральную Европу, тянулись обширные низменности, где и возникли тропические болота с густыми лесами. Деревья, из которых состояли эти болотные леса, еще размножались спорами, как было описано в главе 3, и на наш взгляд показались бы пугающе экзотичными. Это были древние предки хвощей, плаунов, полушников и папоротников, которые в сегодняшних лесах смиренно довольствуются тенистыми нижними этажами. Большинство угля дали плауновидные – деревья, родственные современному плауну. Их стволы в метр толщиной были очень прямыми, с редкими сучьями, необычного зеленого цвета и с текстурой в виде регулярно расположенных вмятинок на тех местах, где были старые опавшие листья: их окаменелые остатки очень похожи на автомобильные покрышки. Они достигали больше 30 метров в высоту и обладали компактной кроной из длинных мечевидных листьев.

В этих болотных экосистемах с их буйной растительностью кишела и диковинная фауна. Подлесок содрогался под натиском гигантских тараканов, на диво похожих на современных, а также пауков размером с мечехвостов (правда, они еще не плели паутину) и полутораметровых сороконожек. По болотам, широко расставляя ноги, расхаживали амфибии, похожие на тритонов, но размером с коня. А в жарком влажном воздухе парили гигантские хищные стрекозы с размахом крыльев до 75 сантиметров. Но если бы можно было вернуться в прошлое и прогуляться по этим пышным лесам, мы наверняка обратили бы внимание на отсутствие определенных звуков, и это даже, пожалуй, насторожило бы нас: в этом лесу не пели птицы. В древних небесах летали только насекомые, птицам предстояло появиться лишь через 200 миллионов лет. Не успели эволюционировать и многие другие существа, которых мы ожидали бы увидеть в такой среде, – над теплыми прудами не гудели комары, не было ни муравьев, ни жуков, ни мух, ни шмелей.

Каменноугольный период создал идеальные условия для буйного роста деревьев, однако и дальнейшие эпохи были теплыми и влажными, так что образование богатых залежей угля объясняется не только этим. Объяснения требует не стремительный рост деревьев, а то, почему мертвые стволы не сгнивали и накапливались в виде толстых слоев торфа. Конечно, этому очень способствовали тогдашние стоячие болота вдоль экватора, поскольку бедная кислородом почва в этих зловонных трясинах замедляла деятельность микробов, разлагавших органику. Однако болота были на планете уже очень давно, это вовсе не уникальная черта каменноугольного периода.

Что же такого особенного было в мире примерно 325 миллионов лет назад? Почему погибшие деревья настолько не спешили гнить? Почему цикл переработки углекислого газа именно тогда, в каменноугольный период, дал такой существенный сбой, что и привело к возникновению почти всего угля, питавшего Промышленную революцию?

В последние годы стало популярным объяснение, согласно которому тогдашние грибки, играющие главную роль в процессе разложения, еще не были биохимически способны разлагать древесину.

Чтобы вырасти такими высокими, стволы первых деревьев должны были стать особенно прочными. Все растения содержат целлюлозу, молекулу, состоящую из длинных цепочек сахаров и укрепляющую стенки клеток – собственно, льняной пиджак, хлопчатобумажная рубашка и бумажная страница, которую вы сейчас читаете (если, конечно, у вас в руках не электронная книга – что ж, тогда вспомните картонную коробку, в которую она была упакована), состоят из целлюлозы.

Но главным образом эти величественные стволы были так прочны благодаря биологическому изобретению другой молекулы – лигнина. Именно поэтому маленькие, похожие на мох растения раннего девона превратились в исполинские деревья каменноугольного периода. А главное – лигнин распадается значительно хуже целлюлозы.

Если сегодня пройтись по лесу, упиваясь головокружительными ароматами почвы, богатой гумусом, и свежей листвы, легко заметить, что мертвая древесина поваленного дерева рядом с вашей тропой бледная, мягкая и губчатая. Это вызывается особыми грибами, которые разлагают темный лигнин в древесине (в число особенно вкусных разновидностей этих грибов входят шиитаке и вешенки). Но в каменноугольный период, гласит теория, деревья только недавно обзавелись лигнином для укрепления стволов, и грибы еще не успели наладить выработку необходимого фермента для ее расщепления. Основная часть плотных стволов оказалась неудобоваримой – вот почему упавшие деревья миллионами лет просто копились на земле.

Гипотеза эта вполне правдоподобна, но, увы, не соответствует последним данным. Во-первых, самая распространенная разновидность деревьев, из которых сформировался уголь в болотах каменноугольного периода, попросту не содержала достаточно лигнина. И хотя в Северной Америке и Европе в следующий геологический период, пермский, угля почти не образовывалось, в некоторых областях Китая он все же формировался, а это было уже после предполагаемого появления грибов, разлагающих лигнин. А если дело не в эволюционном зазоре между возникновением лигнина и способностью грибов его переваривать, тогда в чем же причина такого обильного формирования угля именно в каменноугольный период?

Видимо, причина эта не собственно биологическая, а скорее геологическая.

Тропический регион в районе экватора в каменноугольный период оставался теплым, однако конец этого периода был довольно холодным промежутком в истории Земли: на юге Гондваны образовывались обширные ледниковые щиты, поэтому далеко не весь каменноугольный мир был покрыт душными джунглями. Образование ледников было вызвано тогдашней конфигурацией континентов. Скопившиеся массивы суши тянулись от Южного полюса через экватор почти до самого Северного полюса. Это блокировало циркуляцию теплых тропических и холодных полярных океанских вод по планете, то есть конвейер, о котором мы говорили в главе 8, тогда не работал, и мешало передаче тепла с экватора к полюсам. К тому же Гондвана занимала и сам Южный полюс, и это тоже способствовало накоплению в этом регионе толстого слоя льда: как мы уже знаем, на поверхности открытого океана ледяные шапки нарастают хуже.

Отчасти ответственность за создание ледниковых условий лежит и на лесах каменноугольного периода с их стремительным ростом. Деревья высасывают углекислый газ из воздуха в ходе фотосинтеза, а когда они умирают и их органический материал не гниет, а сохраняется в виде торфа, углерод не возвращается в атмосферу. В результате объем углекислого газа в атмосфере резко снизился, а поскольку это парниковый газ, его недостаток тоже повлиял на глобальное похолодание. Помимо углерода, для выработки углекислого газа при разложении мертвых организмов требуется еще и кислород из воздуха, поэтому усиленное образование торфа привело и к повышению уровня кислорода в атмосфере – возможно, до целых 35 % (сегодня содержание этого жизненно важного газа в атмосфере составляет 20 %). Считается, что повышенный уровень кислорода способствовал эволюции гигантских насекомых, в том числе огромных стрекоз, о которых мы только что говорили.

Итак, с середины каменноугольного периода Земля постепенно превращалась в морозильник. Колебания глобальных температур и, следовательно, количество воды, заключенной в ледниковых шапках (регулируемые, как мы знаем из главы 2, колебаниями земной орбиты), вызвали циклы повышения и понижения уровня моря, как и во время ледниковых периодов в последние 2,5 миллиона лет. Океан каменноугольного периода вздымался и опадал и при этом то покрывал большие участки низинных болот, то отступал снова. В процессе вегетативный материал регулярно оказывался погребенным под слоем морских осадков, а в дальнейшем превращался в угольные пласты. И сегодня, если взглянуть на обнаженные слои пород в разрезе угленосной формации, легко видеть вертикальное чередование угольного пласта, морских осадков – аргиллитов, лагунных осадков, – глинистых сланцев, а затем песчаника из речной дельты, на которой сформировался слой новой почвы, за которым следует очередной угольный пласт. Эти слои в разрезе читаются словно геологический манускрипт, рассказывающий историю периодического затопления болотных бассейнов.

В местах вроде Южного Уэльса или центральных районов Англии, где уголь находят рядом с бурым железняком, в одном месте можно добывать и топливо, и руду для плавки: как будто планета предлагает акцию «два в одном». Иногда удается получить даже «три в одном». Сразу под угольными пластами часто залегают известняки, сформировавшиеся в начале каменноугольного периода, когда уровень Мирового океана был высок и сушу заливали теплые мелкие моря; местами этот известняк проступает на поверхность и виден в окружающем пейзаже. Как мы знаем из главы 6, известняк применяется как флюс при плавлении железа – вещество, которое помогает металлу плавиться и удаляет примеси. Более того, «подстилающие пласты» глины под каждым угольным пластом, где зачастую много ископаемых остатков корней болотных деревьев, часто бывают богаты гидросиликатами алюминия. Эти минералы делают слой глины особенно стойким и придают ему способность выдерживать высокие температуры, 1500 °C и выше, так что природа снабжает нас еще и идеальным строительным материалом для внутренней поверхности доменных печей и плавильных котлов. Так изменения в окружающей среде в каменноугольный период иногда обеспечивали нам все необходимое для Промышленной революции сырье в одном и том же регионе, только в виде нескольких слоев.

Периодическое затопление низинных болот и погребение их под слоем осадков и обеспечило сохранность торфа, который спрессовался под новыми породами и превратился в уголь. А перепады уровня моря, высокого в ледниковый период и низкого в межледниковье, отражающие тогдашнее похолодание, были прямым следствием тектоники плит и конфигурации континентов на планете. Однако у нашей планеты в каменноугольный период была и вторая необычная особенность, которая внесла свой вклад в образование каменного угля: массивы суши не просто образовали скопление между Северным и Южным полюсом, но еще и активно надвигались друг на друга.

На протяжении каменноугольного периода полным ходом шло создание сверхконтинента Пангея: огромный северный континент Лавразия (содержащий Северную Америку и части Северной и Западной Евразии) столкнулся с Гондваной (Южная Америка, Африка, Индия, Антарктика и Австралия) по экватору. Медленное сминание тектонических плит на границе получило название «эпоха варисцийской складчатости»: столкновение континентов привело к орогенезу. В ходе него возникла широкая полоса горных хребтов, в том числе Аппалачские горы вдоль Восточного побережья США и Канады, а также Антиатласские горы в Марокко, которые были продолжением Аппалачей до того, как этот исполинский кряж оказался разделен Атлантическим океаном, и многие другие горы в Европе, например Пиренеи между современной Францией и Испанией. Затем, уже в конце каменноугольного периода, в эту континентальную кучу-малу с северо-востока врезалась Сибирь, вклинившись в Восточную Европу, и в месте их соединения образовались Уральские горы.

Крупнейшие каменноугольные бассейны в период возникновения сверхконтинента Пангея

Изображение создано автором этой книги в программе Mathematica 11.0 на основании данных из Ulmishek (1999) Plate 3, Veevers (2004), Thomas (2013) (Figure 3.2), а также British Geological Society (http://earthwise.bgs.ac.uk/index.php/Regional_structure_of_the_Carboniferous,_Southern_Uplands).

Как мы уже знаем, столкновение континентов не просто воздвигает цепи высоких гор, но и создает вдоль них низменности, поскольку там земная кора прогибается вниз. Хороший пример – бассейн Ганга, проходящий у подножия Гималайских гор и сформировавшийся при столкновении Индийской и Евразийской тектонических плит; в этом бассейне протекают реки Инд и Ганг, берущие начало в горах и сбегающие к морю.

Подобные бассейны вдоль горных хребтов создавались и при столкновении тектонических плит в каменноугольный период, и именно там располагались огромные площади низинных болот, подверженные периодическому затоплению, в результате чего там и сохранился торф, который не контактировал с воздухом. Однако чтобы угольные залежи возникли и не подвергались эрозии в дальнейшем, при продолжении цикла формирования осадочных пород, нужен бассейн, который к тому же постоянно опускается. Вот почему процесс формирования Пангеи сыграл в тот период такую важную роль: столкновения континентов обеспечивали опускание бассейнов примерно в том же темпе, в каком накапливался уголь, что и обеспечило создание невероятно толстых угольных пластов.

Так случайное совпадение нескольких факторов, действовавших в одно и то же время в одном и том же месте, и сделало каменноугольный период уникальным временем в истории Земли, когда возникли массивные залежи угля, от которых мы теперь зависим. Континент Пангея активно строился, границы сталкивающихся плит по воле случая проходили примерно в тропиках, отчего возникли низкие бассейны в предгорьях, а в этих бассейнах сложилась экосистема влажных низинных болот, чей теплый климат создал все условия для роста деревьев. Эти лесистые болота периодически затапливались из-за внезапного повышения уровня моря, поскольку именно тогда ледниковые и межледниковые периоды сменяли друг друга довольно часто, поэтому торф оказывался под слоями осадочных пород и хорошо сохранялся, к тому же бассейны постоянно опускались, и новые слои не подвергались эрозии. А движущей силой для всего этого служил процесс тектоники плит. И пусть и в дальнейшем случались периоды формирования угля в разных точках планеты, однако таких продуктивных, как каменноугольный период во времена возникновения Пангеи, больше не было.

Вот какое совпадение нескольких факторов планетарного масштаба разожгло пламя Промышленной революции. Без колоссальных угольных залежей каменноугольного периода технологическое развитие человечества остановилось бы триста лет назад. Мы до сих пор применяли бы водяные колеса и ветряки и пахали поля плугами на конной тяге.