Оазисы в ледяном аду: как жизнь уцелела во время «Земли-снежка»

Миллионы лет назад Земля пережила затяжное оледенение, превратившее её в планету, покрытую снегом и льдом.

Хлоя Гриффин и Томас Гернон: Сегодня для космонавта Земля выглядит как яркая голубая мраморная планета. Но 700 миллионов лет назад она, должно быть, казалась ослепительно белым снежным шаром. Это кажется маловероятной колыбелью для жизни, однако новые данные свидетельствуют о том, что в замерзшем океане существовали ограниченные, свободные ото льда оазисы, которые стали спасательным кругом для наших самых ранних сложных предков.

В Криогеновый период, от 720 до 635 миллионов лет назад, Земля была скована массивными ледяными щитами, двигавшимися от полюсов к тропикам. Температура на поверхности падала до -50°C.

Из-за того, что яркая белая поверхность планеты отражала (а не поглощала) солнечную энергию — явление, известное как эффект альбедо, — Земля оставалась в этом экстремальном климатическом состоянии, названном «Земля-снежок», десятки миллионов лет.

Ученые долгое время считали, что когда океан запечатан под километровой толщей льда, обычная связь между атмосферой и океаном блокируется, подавляя климатическую изменчивость — краткосрочные колебания температуры, осадков или характера ветров.

Однако наше новое исследование, опубликованное в журнале Earth and Planetary Science Letters, бросает вызов этому устоявшемуся мнению. Детально анализируя древние породы, мы обнаружили, что климат становился ненадолго более динамичным, чем обычно ожидалось для Земли-снежка: он даже колебался в ритме, поразительно похожем на сегодняшний.

Расшифровка климатических циклов

Прорыв произошел на островах Гарвеллах у западного побережья Шотландии. Эти породы сформировались во время Стертского оледенения (720-660 миллионов лет назад), первого из двух событий Земли-снежка; вторым было Мариноанское оледенение (650-635 миллионов лет назад). Шотландские острова содержат уникальный, превосходно сохранившийся архив эпохи «Земли-снежка», хранящий секреты этого странного древнего мира.

В частности, слоистые осадочные породы, или варвы, действуют как природные регистраторы данных. Представьте себе озеро сегодня: осадок медленно оседает в толще воды и на дно озера. Со временем эти слои осадка накапливаются на дне. Тысячи или миллионы лет спустя геологи могут использовать физическую, химическую и биологическую информацию, заключенную в этих теперь уже древних озерных отложениях, чтобы отслеживать, как менялись с течением времени условия окружающей среды, включая климатические.

Хотя современные отложения такого типа найти легко, подробные климатические архивы из глубокой древности встречаются невероятно редко, что оставляло нас в неведении о том, как вел себя климат нашей планеты во времена «Земли-снежка», — до сих пор.

Мы исследовали уникальную шестиметровую толщу пород на островах Гарвеллах, содержащую около 2600 таких варвов. То, что они показали, было, мягко говоря, ошеломляющим. Микроскопический и статистический анализ продемонстрировал, что эти слои не были однородными, как можно было бы ожидать в условиях «снежка».

Вместо этого они соответствуют предсказуемым циклам, происходящим в масштабах времени от нескольких лет до столетий. Возможно, еще более удивительным является то, что в них сохранилась почти вся гамма климатических ритмов, известных нам сегодня: от сезонных годовых циклов до современных явлений, таких как Эль-Ниньо (климатический паттерн, характеризующийся потеплением поверхности моря в некоторых частях Тихого океана), и более долгосрочных циклов, связанных с солнечной активностью и длящихся десятилетиями и веками.

Мы уж точно не ожидали найти циклы Эль-Ниньо — климатического явления, которое сегодня происходит каждые два-семь лет, — не в последнюю очередь потому, что оно требует беспрепятственного взаимодействия между атмосферой и океаном, что трудно представить в мире, покрытом льдом.

Частично свободный ото льда океан?

Циклы в этих древних отложениях действительно поднимают интригующий вопрос: могли ли части океана быть свободны ото льда во времена «Земли-снежка»? Чтобы докопаться до сути, мы использовали компьютерное моделирование климата для проверки различных климатических сценариев — проще говоря, мы смотрели, как изменение количества льда на океанах меняет картину температуры поверхности по всему миру. Мы обнаружили, что когда океан был полностью скован льдом, климатические колебания в значительной степени подавлялись.

Наши симуляции также показывают, что для возобновления этих колебаний не нужны были огромные пространства открытой воды: если бы лишь небольшая часть поверхности океана была свободна ото льда — скажем, около 15% — взаимодействие атмосферы и океана могло бы восстановиться.

Сравнивая смоделированные климатические записи с паттернами, которые мы расшифровали в горных породах, мы полагаем, что эти отложения, скорее всего, документируют существование участка открытой воды в тропиках, который иногда называют оазисом. Многие ученые используют такие оазисы, чтобы объяснить выживание жизни в условиях почти глобального оледенения.

Интересно, что несколько других линий доказательств также указывают на частично свободный ото льда океан примерно в то же время. Итак, могут ли наши породы свидетельствовать о временном потеплении во время «Земли-снежка»? Хотя они подтверждают существование временных участков теплой воды в поверхностном океане, эти породы представляют собой моментальный снимок примерно 3000 лет внутри многомиллионолетнего оледенения — вероятно, мимолетное состояние «слякотного шара» внутри в остальном замерзшего мира. Другое недавнее исследование даже утверждает, что жидкая вода могла сохраняться при температуре -15°C, но только если она была чрезвычайно соленой.

Тем не менее, наш новый анализ со всей очевидностью демонстрирует, что климатическая система обладает врожденной склонностью к колебаниям даже в самых экстремальных условиях. Могли ли эти оазисы в море стать спасительными плотами для самых ранних сложных животных?

Возможно, величайший парадокс «Земли-снежка» заключается в том, что это враждебное глубокое оледенение вызвало биологическую революцию. Примерно в это время разнообразие и численность многоклеточной жизни резко возросли — событие, подпитываемое богатой фосфором пылью, перемолотой теми самыми ледниками, которые угрожали ее уничтожить. Ученые считают, что это произошло в теплый промежуток между двумя оледенениями.

Но чтобы жизнь процветала после окончания ледникового периода, она сначала должна была пережить второе (Мариноанское) оледенение. Наше исследование предлагает жизнеспособное решение этой загадки: если тропические океаны не были полностью скованы льдом, а содержали карманы открытой воды, эти оазисы действовали бы как пригодные для жизни убежища.

Вместо картины полностью замерзшей планеты, наша работа рисует образ «колеблющегося» мира, где тонкие трещины во льду или более обширные участки открытой воды формировали среду обитания, которая позволяла и даже способствовала колонизации жизни.

Поддерживая биоразнообразие в самый суровый ледниковый период Земли, эти оазисы гарантировали, что когда лед наконец растаял, жизнь была готова расцвести в те сложные экосистемы, которые мы видим сегодня, — что в конечном итоге привело к появлению нас.

Хлоя Гриффин, научный сотрудник Школы океанологии и наук о Земле, Университет Саутгемптона, и Томас Гернон, профессор наук о Земле и климате, Университет Саутгемптона.