Для тех, кто мечтает найти внеземную жизнь, на первом месте всегда стоял Марс. Но сегодня любопытство ученых возбуждает одна из лун гигантской планеты Юпитера — Европа. Она полностью покрыта льдом, однако ученые предполагают, что под ним скрывается вещество в жидком состоянии — океан. Исследователям космоса очень хотелось бы проковырять поверхностный лёд, чтобы увидеть там возможные признаки жизни. И пусть вам покажется, что это звучит совершенно неправдоподобно, знайте: в далеком прошлом Земля не раз выглядела так, как сегодня Европа. Межпланетный путешественник, просверливший лед в такой период на нашем шарике, чтобы узнать, есть ли кто-нибудь дома, обнаружил бы экипаж планеты в виде микробов, съежившихся там, чтобы пережить суровые времена «Земли-снежка».

Впервые столь экстремальные условия, существовавшие на нашей планете, стали предметом научного обсуждения в 1960-е годы. Снежные покровы и ледники обычно стараются держаться поближе к полюсам, делая исключение только ради высоких гор. В суровые времена не самых давних ледниковых периодов лед покрывал обширные территории и оказывался даже ближе к экватору, чем остров Манхэттен. Однако Брайан Харленд из Кембриджского университета заметил, что свидетельства оледенения, произошедшего около 600 миллионов лет назад, распространены по всему миру, как если бы вся планета была ледяной.

Могли ли вечно перемещающиеся континенты сбиться в кучу около полюсов, где наличие льда никого не удивит? Эта вероятность была проверена и исключена. Горные породы хранят магнитную память о том, где в прошлом находились континенты. Если бы они сформировались около полюсов, их магнитная ориентация была бы скошена вниз, а если вблизи экватора, то эта ориентация была бы примерно горизонтальной. Судя по магнетизму скал, континенты толпились вовсе не возле полюсов, а в тропиках.

В 1986 году в Австралии Джордж Уильямс и Брайан Эмблтон, исследовав магнетизм зерен окиси железа, сброшенных на дно дрейфовавшим когда-то льдом, доказали, что лед этот дрейфовал всего в нескольких градусах от экватора. Несколько лет спустя Джозеф Киршвинк из Калифорнийского технологического института подтвердил эти результаты, изучив другие пласты горных пород в Австралии, образованные движениями льда, и определив их возраст в 700 миллионов лет. Он назвал полученные свидетельства «пуленепробиваемым доказательством»:

 

«Сейчас кажется очевидным, что эти пространные отложения на уровне моря… были сформированы грандиозными континентальными ледниками, находившимися в нескольких градусах от экватора. Эти данные трудно объяснить чем-то иным, кроме как масштабным экваториальным оледенением».

 

Для этого состояния климата, от которого кровь стынет в жилах, Киршвинк придумал название «Земля-снежок». Представьте себе ледовый панцирь на суше, шапки ледников и скованные морозом моря даже на экваторе. Ученые не пришли пока к единому мнению о том, насколько сильно промерз тогда океан. Некоторые исследователи воображают бесконечную череду ледовых пластов толщиной с километр и даже больше, другие — земной шар с шугой, дрейфующим льдом и айсбергами. В любом случае по жизни на Земле был нанесен очень серьезный удар.

Свидетельства, полученные на всех континентах, говорят о том, что в период между отметками 750 миллионов и 580 миллионов лет назад Земля, возможно, трижды побывала в состоянии «снежка». У червей, выживших за счет того, что они питались наносными отложениями на дне моря, уже появлялись новые черты в строении тела (подобие оболочки или скелета), о чем мы упоминали в прошлой главе. Благодаря этому, когда 542 миллиона лет назад в кембрийский период в мир вернулось относительное тепло, стало возможным быстрое развитие животной жизни.

Этот период — геологи называют его неопротерозойской эрой — не единственный случай, когда лед становился главным участником радикальных событий, разворачивавшихся на Земле. К концу двадцатого столетия геологи собрали свидетельства из Южной Африки, Канады и Финляндии, подтверждающие, что в палеопротерозойскую эру, в период между отметками 2,4 миллиарда и 2,2 миллиарда лет назад, было еще два эпизода «Земли-снежка». Наша планета тогда была вдвое моложе, чем сегодня.

К замечательным сувенирам того времени относятся самые большие залежи железа и марганцевой руды, появившиеся в результате воздействия кислорода на эти металлы, растворенные в морской воде. Вся планета тогда ржавела. Безжалостное оледенение уничтожило многие клеточные линии древних бактерий, однако новые микроорганизмы, получившие название эукариотов, пережили эту расправу.

Среди уцелевших были одноклеточные грибы, водоросли и другие планктонные организмы. Они отличались тем, что нашли хитроумное применение клеточному ядру, запрятав свои гены под его оболочку. 1,8 миллиарда лет назад некоторые эукариоты подчинили себе бактерии, перерабатывающие кислород, и те стали служить им станциями по выработке энергии — так же, как это происходит в клетках современного вида, из которых сегодня состоят все растения и животные. Потомков этих бактериальных жильцов можно найти и ныне — они живут в вашем организме и называются митохондрии. Их древнее происхождение не подлежит сомнению. Они возникли задолго до того, как появился пол, и генный материал митохондрий вы унаследовали только от своей матери.

Важные геохимические и биологические события, происходившие в условиях экстремального холода, вызвали споры о том, что стало их причиной и каковы были последствия. По одному сценарию палеопротерозойского оледенения, фотосинтезирующие бактерии чересчур активно вырабатывали кислород, это привело к «ржавлению» планеты, а следовательно, изменило состав атмосферы и послужило причиной «обморожения» Земли.

Но главный вызов для любого, кто хочет объяснить события «Земли-снежка», — это ответ на вопрос, почему они случились именно тогда, когда случились, выбрав из всей долгой истории Земли два относительно небольших временных «окошка» 2,3 миллиарда и 700 миллионов лет назад. А чтобы картина была совсем полной, неплохо будет также объяснить, почему между этими эпизодами наша планета была практически свободна ото льда на протяжении 1,4 миллиарда лет.

Леденящие звезды — вот единственное объяснение эпизодов «Земли-снежка», причем это объяснение дает ответ не только на вопрос, почему они происходили, но и на вопрос, почему они случились именно в указанные окошки. После того как Нир Шавив из Иерусалима, проанализировав данные за 500 тысяч лет, сделал вывод о том, что смена холодных и теплых периодов климата связана с посещениями спиральных рукавов Млечного Пути, его следующим шагом стала попытка увязать события «Земли-снежка» с эпизодами активной звездной рождаемости в Галактике. Именно звезды вывели космические лучи на такой исключительно высокий уровень, что Земля стала облачной и тусклой и с головой завернулась в снежное одеяло.

Всплеск рождаемости среди звезд

Пока геологи удивлялись своим находкам и представляли себе Землю в виде гигантского снежка, астрономы были поражены не меньше, обнаружив галактики более теплые, чем все привыкли думать. Впервые их засекла в 1983 году Инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS — засекла именно потому, что эти галактики испускали сильные, хотя и невидимые — инфракрасные — лучи. В 1998 году, когда Космическая инфракрасная обсерватория ISO проанализировала сотни таких сверхсветящихся объектов, Райнхард Гензель из Института внеземной физики общества Макса Планка в Гаршинге объявил о выводах астрономов:

 

«Мы впервые можем доказать, что большая часть светимости сверхсветящихся инфракрасных галактик связана с активным образованием звезд. Как именно происходит столь бурное звездообразование и как долго оно может длиться — сейчас это один из интереснейших вопросов в астрофизике».

 

Носители такой бешеной активности получили название «галактики взрывающихся звезд». Источником инфракрасного излучения при этом служит теплая пыль, образовавшаяся в результате взрывов огромного количества массивных, но недолговечных звезд. Часто, если не всегда, звездные взрывы случаются из-за столкновений галактик. На фотографиях, сделанных большими телескопами, мы видим много таких изумительных дорожно-транспортных происшествий.

Даже если каждая галактика — участница ДТП состоит из многих миллиардов звезд, ее «пассажиры» — собственно звезды — настолько удалены друг от друга, что вероятность их прямого соударения маловероятна. Но так как галактики несутся на высокой скорости, столкновения облаков межзвездного газа создают ударные волны, которые сильно сжимают газ, что приводит к рождению новых звезд. Более спокойные, «долгоиграющие» возмущения, которые привели к появлению ярких спиральных рукавов нашей Галактики, порождают в среднем примерно две новые звезды в год. В «галактике взрывающихся звезд» рождаемость может быть в пятьдесят или даже сто раз выше.

Большие скопления галактик легко вальсируют друг с другом. Нам дано увидеть лишь статический снимок космического танцевального зала, потому что на каждое па может уходить несколько сотен миллионов лет. Хореографом здесь выступает гравитация — причем не только лишь та гравитация, что представляет собой взаимное тяготение множества звезд и черных дыр, составляющих галактики, но и намного более сильная гравитация таинственной темной материи, которая способна удерживать скопления галактик. Помимо «галактик взрывающихся звезд», активных ныне, существуют большие галактики, которые пережили подобную бурную молодость и в некоторых случаях настолько истощили запасы межзвездного газа, что образование в них новых звезд и вовсе прекратилось.

В плотно упакованных группах галактик столкновения неизбежны. Судьба многих массивных звезд — стать сверхновыми, и интенсивность космических лучей в «галактиках взрывающихся звезд» настолько высока, что нам остается только гадать, могла бы уцелеть жизнь на поверхностях их планет. Еще хуже то, что большая группа галактик ловит в капкан почти все космические лучи, образованные в галактиках-участницах, вместо того чтобы позволить заряженным частицам свободно выскользнуть во Вселенную.

Вероятно, жизнь могла бы сохраниться только в малонаселенных областях космоса, где она меньше подвержена влиянию больших звездных взрывов и долгоживущих космических лучей. Наша Галактика, Млечный Путь, — везунчик в этом смысле. Хотя телескопы обнаружили «по соседству» с нами около пятидесяти галактик в области пространства с поперечником примерно пять миллионов световых лет (все вместе мы называемся «местная группа»), большинство из них очень маленькие.

Только три близлежащие галактики можно увидеть невооруженным глазом. Большое и Малое Магеллановы Облака — небольшие галактики, но они находятся довольно близко от Земли, и в 1519 году в южном небе их легко смог заметить Фернан Магеллан. Они выглядят как неаккуратные клочки, оторвавшиеся от Млечного Пути. На севере есть довольно тусклая галактика Андромеды, обнаруженная персидскими астрономами в X столетии. Сегодня мы знаем, что это большая спиральная галактика — сестра Млечного Пути, находящаяся от нас почти в трех миллионах световых лет. Сейчас галактика Андромеды движется в нашем направлении. Не исключено, что она столкнется с Млечным Путем и в конце концов сольется с ним в грандиозном звездном объятии, но это может случиться лишь через пять миллиардов лет.

Впрочем, чтобы началось образование звезд, не обязательно ждать прямого столкновения. Когда две галактики проходят близко друг от друга, гравитация подливает масла в огонь каждой из них, вызывая приливы и сжимая межзвездный газ. Некоторые маленькие галактики в местной группе служат спутниками больших, как, например, Магеллановы Облака, которые ходят по орбите вокруг Млечного Пути. Они самые вероятные кандидаты для столкновения, способного вызвать звездные взрывы. Хотя силу звездных взрывов в Млечном Пути нельзя сравнить с тем, что происходит в инфракрасных галактиках, эти всплески энергии могут в достаточной степени увеличить скорость рождения и умирания звезд, чтобы интенсивность космических лучей заметно возросла.

Чтобы узнать, когда изменилась скорость звездообразования, астрономы взялись за перепись звезд. Если вы находите в определенном человеческом сообществе необычайно большое количество ровесников, вы понимаете, что они родились на всплеске рождаемости. Так же и со звездами. Но чтобы подсчитать возраст звезд, астрономы сначала должны узнать, насколько далеко они находятся. Им помог в этом европейский спутник «ГИППАРКОС», собравший сведения, на основании которых в 1997 году была составлена карта звездного неба.

Астрономы из Бразилии и Финляндии использовали эту карту, чтобы сравнить возрасты пятисот ближайших к Земле звезд. В 2000 году Элиу Роша-Пинту и его коллеги сделали доклад, где говорилось, что за свою долгую историю Галактика пережила несколько всплесков рождаемости звезд. Те звезды, которые мы можем видеть и сегодня, несомненно, относятся к числу благопристойных долгоживущих звезд. Они пережили своих массивных сестер, быстро взорвавшихся в период активного звездообразования и исторгнувших из себя стаи заряженных частиц.

Один из таких всплесков рождаемости произошел 2,4–2 миллиарда лет назад. Доказательством этому служит необыкновенное количество звезд-ровесниц в Малом Магеллановом Облаке. Их одинаковый возраст указывает на то, что, вероятно, по соседству проходила какая-то галактика, причем проходила достаточно близко, и это вызвало ответную реакцию в Млечном Пути. С другой стороны, некоторые астрономы подозревают, что нарушителем спокойствия было Большое Магелланово Облако. Пока у нас есть весьма приблизительные сведения о том, как сближаются и расходятся Магеллановы Облака и другие наши небольшие соседи в своем неуклюжем танце. Столь же приблизительно и расписание «перигалактиконов», то есть приближений к нашему Млечному Пути других галактик. В 2015 году космический телескоп «Гайя» должен будет предоставить астрономам более точные измерения ближайших к нам галактик. Но до этого времени любые графики будут оставаться приблизительными.

Между тем все еще стоит вопрос о том, как связаны между собой первый эпизод «Земли-снежка», случившийся 2,3 миллиарда лет назад, и обнаруженный Роша-Пинту взрыв звездной рождаемости, произошедший 2,4–2 миллиарда лет назад. У нас есть все основания подозревать, что эти два события объединяет необычайно интенсивная атака космических лучей, обрушившихся на Землю. Но если это было больше, чем случайное совпадение, тогда последующий период, освободивший планету ото льда, должен быть связан с низкой звездной рождаемостью. Для Шавива это было ключевым моментом в его доказательствах: «Долгий период между двумя миллиардами лет назад и миллиардом лет назад, в течение которого не происходило известных нам оледенений, совпадает с очень низкой скоростью звездообразования».

 

Последний эпизод «Земли-снежка», начавшийся около 750 миллионов лет назад, также можно привязать к подъему звездной рождаемости, только уже другому. Перепись звезд, произведенная Роша-Пинту с помощью «ГИППАРКОСа», подтверждает, что в период между двумя миллиардами лет назад и миллиардом лет назад действительно рождалось крайне мало звезд. Однако, судя по переписи, и после этого затишья скорость рождения звезд была не очень значительной. Более убедительно выглядят результаты другого исследования, объявленные в 2004 году Раулем де ла Фуэнте Маркосом из мадридского филиала университета Саффолка и Карлосом де ла Фуэнте Маркосом из Мадридского университета Комплутенсе. Они изучили данные об определенных группах звезд, так называемых «открытых кластерах» — под этим именем они уже много лет фигурируют в астрономических каталогах, — и, получив немало иных результатов, ученые также высчитали скорость, с которой шло звездообразование приблизительно 750 миллионов лет назад. Двое де ла Фуэнте Маркосов отметили актуальность этих расчетов для исследования, проводимого Шавивом.

 

«Судя по всему, сценарий „Земли-снежка“ связан с самым сильным эпизодом звездообразования, зафиксированным в окрестностях Солнечной системы за последние два миллиарда лет».

 

Для нас очень существенно, что еще одна группа ученых поддержала идею о крайне важной роли космических лучей, влиявших на климат на протяжении всей истории Земли. Когда гипотеза ложна, новые опыты и наблюдения обычно вступают с ней в противоречия, но если теория верна — имеет место обратное. И, по мере того как уточняются факты, она становится лучше и лучше.

Парадокс слабого молодого Солнца

Во время эпизодов «Земли-снежка» планета подверглась бы еще более глубокой заморозке, если бы солнечный магнитный щит в далеком прошлом не был столь крепким. Поток космических лучей, достигавших Земли 750 миллионов лет назад, был на несколько процентов ниже, чем это было бы сегодня, если бы подобные взрывы звезд повторились, потому что солнечный ветер тогда был сильнее. А 2,4 миллиарда лет назад солнечный щит мог понизить приток лучей даже на 20 процентов.

Уходя дальше в глубину веков, мы замечаем, что Солнце было не таким, как сегодня. Астрономы знают это благодаря теориям о внутреннем строении Солнца и наблюдениям над молодыми звездами солнечного типа. Когда наше светило вместе со своей семьей планет только родилось из газо-пылевого облака около 4,6 миллиарда лет назад, оно вращалось со скоростью, по меньшей мере в десять раз превышающей сегодняшнюю. Его магнитная активность была очень щедра, и солнечный ветер был плотнее. В результате практически никакие заряженные частицы не могли проникнуть в окрестности новорожденной Земли.

Это было только к лучшему с точки зрения климата, потому что молодое Солнце было холоднее и испускало много меньше солнечного света, чем сегодня. Оно разгоралось постепенно, на протяжении миллиардов лет, по мере того как ядерные реакции в его жарком сердце наполняли расширяющуюся оболочку нарабатываемым гелием. В начале своей жизни Солнце светило слабее — его светимость составляла только 70 процентов от нынешней. Камни на земной поверхности были поначалу, вероятно, расплавлены, но как только они остыли в достаточной мере для того, чтобы удержать на себе жидкую воду, юная планета могла бы замерзнуть из-за слабости Солнца. Этого не случилось.

Молодая кора была почти полностью разрушена, и ей приходилось постоянно восстанавливаться под тяжелыми бомбардировками комет и астероидов — материалом, оставшимся после строительства планет. Эта ужасная эра, или гадейский эон — так его окрестили геологи, — длилась 800 миллионов лет. Лишь несколько зерен минералов сохранилось с поры младенчества Земли — в основном это кристаллики циркона, которые находят в Австралии. Самому старому из них, идентифицированному в 2001 году, — 4,4 миллиарда лет. Циркон часто встречается в граните, для формирования которого требуется вода в жидком состоянии, и высокое содержание атомов тяжелого кислорода в цирконе более чем подтверждает его водное происхождение.

С архейского эона, периода, начавшегося 3,8 миллиарда лет назад, до наших дней дошло много больше пластов горных пород. Они также часто свидетельствуют о том, что зарождались на дне древнего моря. К тому времени мощь Солнца возросла до 75 процентов от сегодняшней силы, но по современным стандартам оно было все еще очень слабым. При прочих равных средняя температура поверхности Земли была бы не 10 градусов Цельсия, как сейчас, а минус 15. Даже по наступлении протерозоя 2,5 миллиарда лет назад сила Солнца достигла лишь 83 процентов от сегодняшней, обещая среднемировую температуру около минус 5 градусов. Если бы геологи, еще не зная о том, как иногда было тепло на нашей планете в прошлом, наткнулись на свидетельства того, что 2,4 миллиарда лет назад Земля была полностью оледеневшей, они, вероятно, не удивились бы. Им оставалось бы лишь винить слабое Солнце за очень холодные условия.

Вместо этого геологам пришлось решать сложную задачу. С 1972 года, когда американский астроном Карл Саган и его коллега Джордж Маллен впервые привлекли внимание ученых к «парадоксу слабого молодого Солнца», специалисты пытаются объяснить, каким образом в ранний период истории Земли сохранялись теплые условия. Некоторые предполагали, что Солнце развивалось не так, как его аналоги, но поступавшие новые сведения о внутреннем устройстве Солнца не позволяли согласиться с этой идеей. Еще выдвигалась гипотеза, что земная атмосфера была плотнее, чем сегодня. Высокое содержание водяного пара, углекислого газа, метана и/или других газов, возможно, создавало значительный парниковый эффект, позволяющий удержать достаточно высокие температуры, чтобы вода на планете не замерзала. Эту гипотезу так часто повторяли на протяжении тридцати лет, что некоторые принимают исконное парниковое состояние Земли за доказанный факт.

Из чего состояла атмосфера, когда Земля только вылезла из младенческих пеленок, никто не знает. Ученые составляли и обсуждали самые разные рецепты, полет их фантазии ограничивали лишь свидетельства камней, других планет и лун в Солнечной системе. Но даже если бы вам подарили моментальный снимок ранней атмосферы, он не был бы достоверным, потому что беспрестанные жестокие бомбардировки во времена гадейского эона своими ударными волнами, вероятно, сносили прочь раннюю атмосферу. Что и в каком объеме они могли поменять в составе воздуха — неизвестно. Самые древние из доступных данных, запечатленных каменными породами, говорят о том, что концентрация углекислого газа в атмосфере была очень высока и, как предполагают некоторые эксперты, именно двуокись углерода сделала океаны кислотными. Ян Вейзер из университета Оттавы полагает, что есть доказательство, подрывающее эту версию.

То, что в пору юного слабого Солнца вода находилась в жидком состоянии, — уже действительно очевидно. И лишь один выход из этого парадокса не требует придумывания специальных обстоятельств или изобретения особого климатического механизма. Как следует из всего, что было уже сказано о космических лучах и облаках, в те времена из-за магнитной активности юного Солнца очень мало заряженных частиц достигало нижних слоев атмосферы, следовательно, тогда должно было быть очень мало низких облаков, чтобы охлаждать Землю.

Эта идея пришла в голову Ниру Шавиву в Иерусалиме, когда он прокручивал назад во времени климатическую историю жизни в Галактике, пробираясь сквозь ледниковые эры, связанные с прохождениями Солнечной системы через спиральные рукава, и эпизоды «Земли-снежка», происходившие в связи с активным звездообразованием. Окончательный вывод Шавив сделал в 2003 году:

 

«Стандартные солнечные модели предполагают, что яркость Солнца увеличивалась постепенно и возросла приблизительно на 30 процентов за последние полтора миллиарда лет. Учитывая слабость Солнца, большую часть своего существования Земля должна была находиться подо льдом. Однако уже в ранние периоды истории Земли мы видим следы текущей воды. Эта тайна… может быть частично объяснена, если мы примем во внимание охлаждающий эффект, который, как мы подозреваем, оказывают космические лучи на глобальный климат, и признаем, что солнечный ветер юного Солнца должен был быть более сильным, чтобы не пропустить космические лучи на Землю».

 

Свенсмарк уже размышлял о «тайне слабого Солнца» за несколько лет до публикации работы Шавива, но отложил решение загадки на будущее. Теперь, вернувшись к ней, Свенсмарк попытался оценить, насколько выигрышным для климата могло быть такое поведение Солнца. Сегодня низкие облака отражают или поглощают около 5 процентов поступающего солнечного света. Если детство Земли не было омрачено облаками, то в этом случае до земной поверхности доходило столько солнечного света, сколько дало бы Солнце, если бы оно было на миллиард лет старше и ярче. Тогда 3,8 миллиарда лет назад средняя температура на планете поднялась бы с отметки минус 15 градусов Цельсия до приблизительно минус 10 градусов. В этом случае в самых теплых частях света вода точно могла находиться в жидком состоянии, а вклад парниковых газов должен был быть значительно меньше.

Недоедание или переедание? Диагноз ставят атомы углерода

Черные крупинки углерода, найденные в породах Гренландии, — их возраст составляет 3,8 миллиарда лет, — вероятно, самые древние из известных следов жизни на Земле. Их обнаружили в толстых слоях глины, медленно скапливавшейся на дне первобытного моря. Сейчас пласты этой глины обнажились — их можно увидеть между кромкой ледяного щита и побережьем океана недалеко от города Готхоб на западном побережье Гренландии. Огромное количество микроскопических шариков графита в глине — это, по всей вероятности, останки бактерий, процветавших в воде, когда мир был молодым.

По мнению гренландца Миника Росинга, директора геологического музея в Копенгагене, эти крупинки демонстрируют разборчивое отношение живых существ к различным атомам углерода, основного жизненного элемента. Сегодня, когда бактерии и водоросли планктона в приповерхностном слое океана растут, поглощая растворенную в воде двуокись углерода, они предпочитают молекулы, содержащие обычные атомы углерода, углерод-12. Судя по всему, тяжелый углерод-13, который встречается довольно редко (из девяноста молекул двуокиси углерода лишь одна содержит этот изотоп), им не по вкусу.

Таким образом, получается, что в живых организмах содержится намного меньше углерода-13, чем в окружающем мире. В гренландских гранулах содержание тяжелого углерода было очень низким, и Росинг предположил, что его черные крупинки тоже некогда были живыми:

 

«Изначально наносы органического происхождения, включающие графитовые гранулы, могли более или менее постоянно складываться из планктонных организмов, оседавших с поверхности воды».

 

В 1999 году Росинг продолжил свою детективную работу по выяснению характеристик «места происшествия» — древнего моря, где жили первые организмы. К 2004 году он и его коллега Роберт Фрей показали, что в древности морская вода, очевидно, содержала свободный кислород. На этот раз ключиком послужили следы свинца различных атомных весов, получавшегося в результате распада тяжелых радиоактивных элементов. Пропорции различных атомов свинца показывают, что 3,8 миллиарда лет назад уран присутствовал в морской воде, а торий — нет. Эти два элемента всегда выступают дружными компаньонами, пока не появляется кислород, в присутствии которого соли урана становятся растворимыми.

Можно сделать вывод, что в те времена замысловатые живые существа — бактерии — уже появились на планете. А некоторые бактерии начали использовать метод фотосинтеза, когда энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, — и произошло это на миллиард лет раньше того срока, который некоторые эксперты отводят появлению фотосинтезирующих организмов. После расщепления водяных молекул водород соединяется с углеродом, создавая вещества, необходимые для производства энергии и строительства клеток, а молекулы кислорода утекают в окружающее пространство.

К тому времени, когда создавались древнейшие дошедшие до нас осадочные породы, жизнь на планете уже не была случайной гостьей или презренным мусором. Некоторые специалисты высказывали предположение, что ранняя жизнь полагалась не на солнечный свет, а на химическую энергию недр планеты — то, что можно наблюдать сегодня вблизи гидротермальных источников на океанском дне. Но картинка из Гренландии рассказывает нам о живых организмах, входивших в состав развернутой масштабной системы, вполне достойной называться биосферой — в том смысле, что поверхность Земли, а также области непосредственно над ней и под ней были полны жизни. Росинг нисколько не сомневался в правильности такого толкования древней жизни, и его убежденность только окрепла, когда он сопоставил результаты своих исследований углерода-13 и урана. «Что это доказывает? — задавал он риторический вопрос. — Только то, что не 3,7 миллиарда лет назад, а гораздо раньше Земля уже имела действующую биосферу».

Несмотря на слабость юного Солнца, его свет нес в себе огромную энергию, необходимую для функционирования биологической системы. Именно с тех самых древнейших времен жизнь, питаемая Солнцем, стала главным участником геологического действа на планете. По мнению Росинга, признаки первородного континентального гранита не случайно обнаруживаются в тех же районах Гренландии, где отыскиваются и черные крупинки, указывающие на наличие жизни.

Погрузившись в историю едва ли не до истоков жизни, мы теперь можем пуститься в обратный путь, от прошлого к настоящему, и найти еще одну, столь же будоражащую воображение связь между космическими лучами и переменами в жизни как таковой. В течение своей долгой истории биосфера иногда процветала, а иногда приходила в упадок, словно раскачиваясь на гигантских качелях между обжорством и голодом. Для геолога, путешествующего по времени, атомы углерода-13, которые в первую очередь служат свидетельством прироста органики на планете, могут конспективно воспроизвести полную картину земной жизни — со всеми ее взлетами и падениями.

Гренландские крупинки, в которых оказалось крайне мало углерода-13, произошли от микроскопических морских растений, бактерий или водорослей, в процессе роста вбиравших в себя двуокись углерода из окружающей воды. Когда жизнь чувствует себя вольготно, морская вода заметно обогащается отвергнутым всеми тяжелым углеродом. Воспоминания об этом изобилии хранит известняк — древние карбонатные породы, вобравшие в себя двуокись углерода своего времени. В отличие от растений, увлеченных процессом фотосинтеза, раковины не столь разборчивы в отношении атомов углерода.

Независимо от того, был ли известняк образован морскими раковинами или получился в результате чисто химических реакций, он — в соответствии с пропорцией углерода-13, оставшегося в воде, — отражает общую активность морской жизни. Геофизики начали собирать данные об углероде-13 полвека назад, приступив к исследованиям тяжелого кислорода, или кислорода-18, в отложениях известняка. Кислород-18 должен был помочь ученым измерить температуры прошлого, и им было нетрудно одновременно собирать данные по углероду-13. Сначала исследователи не знали точно, о чем поведают им результаты. Вскоре они поняли, что углерод-13 дает им возможность заглянуть в прошлое и распознать перемены в общем состоянии жизни на планете — иными словами, понять, как изменялась продуктивность биосферы.

Каждый год на планете образуются миллиарды тонн нового органического вещества; исходя из этого, можно было бы ожидать, что жизнь наиболее продуктивна во времена теплого, благодатного климата. Однако это не так. Пиковые значения углерода-13 говорят о том, что самая высокая продуктивность биосферы за последние 500 миллионов лет пришлась на последнюю часть каменноугольного периода, то есть 300–320 миллионов лет назад. Тогда Земля как раз наведалась в рукав Наугольника, интенсивность космических лучей была высока, и на континенты наползли обширные ледяные щиты.

Почему же тогда должна была благоденствовать жизнь? Возможно, по тем же причинам, что и в сегодняшнюю ледниковую эру. Температурный контраст между теплыми тропиками и заледеневшими полюсами создает сильные ветры и стремительные океанские течения, и их воздействие на жизнь Земли заметно даже из космоса. Спутники могут оценить продуктивность жизни на морской поверхности, измерив количество содержащегося там хлорофилла. Они наблюдают огромные площади субтропических океанов, где на каждый квадратный километр приходится гораздо меньше жизни, чем в штормовых средних широтах и субполярных морях, поверхность которых лучше пополняется необходимыми питательными веществами, например, фосфором. Для более спокойных периодов в истории Земли характерен недостаток питательных веществ, и это ограничивало развитие биосферы — полнота жизни хотя и сохранялась, но была все же весьма умеренной.

Неудивительно, что для карбонатных пород, формировавшихся во время эпизодов «Земли-снежка», то есть в периоды, отделенные от нас 2300 и 700 миллионами лет, свойствен чрезвычайно низкий уровень углерода-13: в те холодные времена наземный лед практически остановил процесс фотосинтеза и мертвые организмы возвращали природе накопленный ими углерод-12. Но эти времена упадка жизни перемежались взрывами яркого и бурного роста. Когда бы ни наступал перерыв в чрезмерном оледенении, жизнь в море тут же энергично восстанавливалась. Помимо того что при этом высвобождаются питательные вещества (не важно, в каменноугольный период или в наши дни), происходит обогащение органического материала соединениями углерода за счет необыкновенно высокого уровня углекислого газа, — именно это, возможно, подстегивало рост жизни в паузах между эпизодами «Земли-снежка».

Эти ремарки к драме жизни, вписанные атомами углерода, заставили Свенсмарка по-новому взглянуть на миллиарднолетнюю историю переменчивой фортуны нашей планеты. Оказалось, что звездное окружение Земли в Млечном Пути не только решает, куда должна крениться продуктивность океанской жизни — в сторону изобилия или в сторону скудости, но и задает наклон этого крена.

Изменчивость жизни и космические лучи

Колебания жизни были значительны — она то почти исчезала, как во времена «Земли-снежка», то нагуливала жирок, как это происходило в продуктивные времена наподобие каменноугольного периода, и этому соответствовали вполне логичные изменения в уровне углерода-13. Однако, помимо «углеродной» логики, работало что-то еще. Беспрерывные колебания жизни заставляют думать о каких-то тонких, неустойчивых, еле уловимых взаимосвязях между геологией, климатом и биологией. Причем интенсивность самих этих колебаний изменяется от одной фазы в истории Земли к другой.

В 2005 году Свенсмарк заметил, что вариабельность углерода-13 тесно связана с вариабельностью морских температур, определяемых с помощью кислорода-18. На протяжении последних 500 миллионов лет частые изменения климата сопровождались большими и тоже частыми переменами в продуктивности жизни. Но когда Свенсмарк заглянул в еще более далекое прошлое, он увидел, что изменчивость биосферы была временами не в пример значительнее.

Свенсмарк изумился, осознав, что изменчивость биосферы достигла максимума в период между отметками 2,4 и 2 миллиарда лет назад — это примерно соответствовало первому эпизоду «Земля-снежок». Как раз в то время интенсивность космических лучей была особенно велика вследствие звездных взрывов в нашей Галактике. Тогда Свенсмарк взял отрезок времени в 3,6 миллиарда лет, разделил его на сегменты по 400 миллионов лет и сравнил изменения в вариабельности углерода-13 с расчетными показателями интенсивности космических лучей.

Совпадение было почти невероятным и составило 92 процента. 100 процентов означало бы прямолинейную корреляцию. Одной из причин такого подобия графиков могло быть то, что, когда интенсивность потоков заряженных частиц очень высока, колебания этой интенсивности также происходят в довольно широком диапазоне. А вывод здесь вот какой: на Земле не просто холодно, когда космических лучей много, — увеличивается сам размах колебаний климата между указателями с надписями «теплее» и «холоднее», по мере того как Солнце и Земля обращаются вокруг центра Галактики и контраст между спиральными рукавами и межрукавными областями становится более сильным.

Эти очень похожие диаграммы, поступившие из совершенно разных сфер — астрономии и геологии, — показывают, что изменчивость жизни на нашей планете зависит от галактического окружения Земли и общей интенсивности космических лучей. Верхняя диаграмма демонстрирует приток космических лучей на разных этапах истории в сравнении с современным уровнем, принятым за единицу, а «изменчивость изобилия биосферы» — это статистический индикатор, дающий представление о колебаниях доли атомов углерода-13 в морских отложениях.

Около 3,4 миллиарда лет назад действия юного Солнца по отражению космических лучей были весьма успешны, интенсивность заряженных частиц оставалась на низком уровне, и продуктивность жизни, как свидетельствует углерод-13, колебалась в малых пределах. Между отметками 3,2 и 2,8 миллиарда лет назад скорость звездообразования была такая же, как сегодня. Похожими были и колебания биологической продуктивности в океане.

Как любопытно! Тогда существовали только бактерии, а сейчас трудятся целые флотилии куда более совершенных организмов, поддерживая пищевые цепочки, идущие снизу вверх — от простейших до высших рыб и китов. И все же общая чуткость первых бактерий и современной экосистемы к переменам климата примерно одна и та же, если судить по отклонениям в ту и другую стороны от средней скорости поглощения организмами двуокиси углерода, требуемой им для роста.

Около 2,8 миллиарда лет назад интенсивность космических лучей сильно возросла, принеся с собой значительное изменение климата, и жизнь стала активнее. На пике звездных взрывов, произошедших 2,4–2,2 миллиарда лет назад, вместе с которыми началось превращение Земли в «снежок», космические лучи все еще были сильными, так же как и колебания углерода-13, на что впервые обратил внимание Свенсмарк.

Между отметками 2 и 1,2 миллиарда лет назад поток космических лучей опять оставался на низком уровне, и продуктивность биосферы изменялась незначительным образом. Зато следующий всплеск звездной рождаемости побудил жизнь собрать все свои силы и вызвал изменения, продолжавшиеся даже тогда, когда 750 миллионов лет назад вся планета покрылась льдом. Это было время «большого взрыва» в эволюции, которая изобрела многоклеточные эукариоты — предшественников животных и высших растений. 800 миллионов лет назад вариабельность биосферы была относительно высока. После этого она пошла на убыль и вернулась к показателям, существовавшим 3 миллиарда лет назад.

Эта новая история биосферы, рассказанная путем истолкования данных об углероде-13 с привлечением астрономической хроники, очаровывает и озадачивает своей простотой. Содержание истории открыто для широкого обсуждения. Например, уровни содержания углерода-13 задаются не только ростом живых организмов. Высокая скорость оседания органического материала на морское дно может увеличить пропорцию углерода-13 за счет вытеснения углерода-12. Когда же трупы мертвых существ растворяются в морской воде и возвращают ей углерод-12, пропорция углерода-13 идет вниз. И еще: уровень углерода-13 в морской воде связан с преобладанием в атмосфере двуокиси углерода.

Также можно сказать, что периоды в 400 миллионов лет, предложенные Свенсмарком, — слишком длительные сроки, в течение которых и биосфера, и ландшафт планеты могут сильно измениться. Эти периоды в шесть раз шире пропасти, отделяющей нас от времени вымирания динозавров. За 400 миллионов лет континенты не раз могут перегруппироваться, а Солнце и Земля могут дважды или трижды забежать в гости в разные спиральные рукава Галактики.

Представления о том, как земная жизнь реагирует на льющиеся на нее потоки заряженных частиц, поможет по-новому взглянуть на историю Земли. Появление многоклеточных, после того как климат резко накренился в сторону последнего «снежка», позволяет говорить о том, что сильно изменчивый климат, в отличие от «обычных» климатических перемен, может подтолкнуть живых существ к радикальным нововведениям. С другой стороны, менее изменчивый климат позволяет природе проводить не столь резкие, зато более изысканные усовершенствования, и в результате получается красочное разнообразие видов, которых отлично устраивает господствующий климат. Возможно, даже чересчур устраивает. Перед созданиями, прекрасно приспособившимися к имеющимся условиям жизни, встает угроза пасть жертвами грядущих изменений климата.

Другая цепочка взаимодействий осталась пока нераскрытой. Эту главу мы начали с рассказа о скорости звездообразования в Галактике и о переменах в работе нашего Солнца. Эти чисто физические факторы влияют на приток космических лучей, и таким образом, похоже, именно они управляют климатом Земли, а следовательно, определяют условия жизни на планете. Тут есть некоторая тонкость: сейчас представляется, что более холодные условия сильнее раскачивают продуктивность биосферы. Когда Свенсмарк рассказывал о том, что обнаружил связь между углеродом-13 и космическими лучами, он был в полном восторге: «Если связь подтвердится, то окажется, что развитие жизни на Земле жестко сопряжено с эволюцией Млечного Пути».

Результаты этого анализа должны дать биологам пищу для размышлений. Собственно, анализу подверглись перемены, происходившие на протяжении сотен миллионов лет, а это все равно что усреднить трилобитов и саблезубых тигров. Но если вы повнимательнее рассмотрите космические лучи, климат и эволюцию на протяжении всего нескольких миллионов лет — перед вашими глазами вспыхнет экран, на котором начнется четкий, яркий фильм, рассказывающий о том, как звезды влияли на климат и к каким драматическим последствиям это привело. Словом, давайте увеличим масштаб.