Продолжительность жизни растений только что увеличилась

Время до вымирания наземных растений (Gyr) в зависимости от скорости выделения CO₂ по сравнению с современными для различных параметров выветривания. Автор: The Planetary Science Journal (2024). DOI: 10.3847/PSJ/ad7856

Пока что будущее жизни на Земле в руках человека. Но после антропоцентрической эры ситуация начинает становиться рискованной. Светимость Солнца со временем увеличивается, примерно на 1% каждые 110 миллионов лет, поэтому поверхность Земли будет постепенно нагреваться (но гораздо медленнее, чем сегодняшнее глобальное потепление).

Карбонатные породы, в основном известняк и доломит, превращаются обратно в силикатные породы в результате вулканической активности и метаморфоза при высокой температуре. Вулканическая активность выделяет углекислый газ, который заменяет тот, что был выведен силикатным выветриванием, и карбонатно-силикатный цикл продолжается.

Таким образом, в масштабах миллионов лет уровень углекислого газа в атмосфере будет примерно постоянным, при прочих равных условиях (что случается редко). Но поскольку увеличивающаяся яркость Солнца медленно повышает температуру Земли, выветривание силикатов также должно уменьшаться, вытягивая больше углекислого газа из атмосферы.

Захоронение карбонатов также удаляет углерод из системы океан-атмосфера. Это плохие новости для растений, которые питаются углекислым газом, солнечным светом и водой, и они будут вдвойне страдать, когда температура поверхности увеличится из-за солнца. Когда растения исчезнут, большая жизнь на Земле будет голодать и погибнет. Расчет того, когда это произойдет, был делом десятилетий, с полученными временными интервалами от 100 миллионов до 1 миллиарда лет, но все движущиеся части в такой модели затрудняют вычисления.

Трио ученых из Чикагского университета и Института науки Вейцмана в Израиле выдвинуло новую модель, которая отодвигает срок жизни земной биосферы до 1,7 миллиарда лет. Их работа была опубликована в журнале The Planetary Science Journal.

«Если выветривание слабо зависит от температуры (как показывают последние данные) и/или сильно зависит от _CO2, — пишут они, — мы обнаруживаем, что взаимодействие между климатом, производительностью и выветриванием приводит к тому, что будущее снижение _CO2, обусловленное светимостью, замедляется и временно обращается вспять, предотвращая нехватку _CO2 у растений».

Результаты их исследований удлиняют период выживания растений до 1,6–1,82 млрд лет, после чего растения погибают либо от нехватки _CO2, либо от экстремальных температур, что, возможно, удваивает будущую продолжительность жизни макроорганизмов.

В большинстве предыдущих работ предполагалось, что выветривание силикатов сильно зависит от температуры — экспоненциально со временем складывания (T _e) от 10 до 20 лет и слабо зависит от CO ₂, варьируясь (в степени β) между четвертым корнем и квадратным корнем концентрации CO ₂. Меньшее значение T _e означает более сильную зависимость скорости выветривания силикатов от температуры.

Они рассматривают два сценария: вымирание растений из-за нехватки _CO2 ( _Te =13,7 Кельвина и β=0,25), как в Кальдиере и Кастинге в 1992 году, и вымирание из-за перегрева ( _Te =31 К и β=0,41), как в Криссансене-Тоттоне и Кэтлинге в 2017 году.

Они также рассмотрели растения C3 и C4 по отдельности (они различаются по эффективности использования фотосинтеза, процессам фиксации углерода и тому, насколько хорошо они переносят жаркие и сухие условия — около 95% растений на Земле являются растениями C3).

С помощью этих пар параметров они объединяют глобальные средние модели продуктивности растений, углеродного цикла и климата, чтобы определить возможные механизмы вымирания наземных растений и, конечно же, всех видов, которые зависят от них. Второй набор параметров, представляющий сценарий перегрева, приводит к более длительной будущей продолжительности жизни наземных растений по сравнению с первым набором, 1,8 миллиарда лет по сравнению с 1,3 миллиарда лет соответственно. Это существенно больше, чем в любой из предыдущих работ.

Концентрация углекислого газа уменьшается от современного значения в обоих случаях, практически до нуля в первом сценарии и примерно до 170 частей на миллион (ppm) во втором сценарии. Температура поверхности Земли достигает пика около 310 К (37°C) в сценарии один и 335 К (62°C) во втором сценарии. (Текущая средняя температура поверхности Земли составляет около 289 К (16°C)). В любом случае будет жарко.

Растения C3 были истреблены раньше растений C4: 0,5 миллиарда лет (сценарий 1) при уровне концентрации _CO2 150 ppm по сравнению с 0,8 Gyr (сценарий 2) для растений C3 и 1,2 Gyr по сравнению с 1,8 Gy соответственно для растений C4. На Земле будет около 500 миллионов лет, когда единственными существующими растениями будут растения C4, такие как сорго, сахарный тростник и кукуруза. По крайней мере, сладости будут существовать еще полмиллиарда лет, если останется кто-то, кто будет их производить.

Авторы также способны сделать некоторые крупные выводы о внеземной жизни. «Если жизнь распространена за пределами Земли», — пишут они, «наши выводы могут быть проверены с помощью будущих наблюдений биосигнатур на внесолнечных планетах».

Более продолжительное будущее биосферы также имеет последствия для развития разумной жизни. Они показывают, что более длительная продолжительность жизни предполагает меньшее количество «трудных шагов» — критических, маловероятных эволюционных переходов — для создания разумной жизни, чем предполагалось ранее. Предыдущие исследователи предлагали 4–5 для количества необходимых трудных шагов, но более длительная биосфера сокращает это число до 2,4, подсчитывают авторы.

Это хорошие новости для перспективы разумной внеземной жизни. Их результаты «предполагают, что возникновение разумной жизни может быть менее сложным (и, следовательно, более распространенным) процессом, чем утверждали некоторые предыдущие авторы».

Больше информации: RJ Graham et al, Substantial Extension of the Lifetime of the Terrestrial Biosphere, The Planetary Science Journal (2024). DOI: 10.3847/PSJ/ad7856