Ученые установили связь между повышением уровня углекислого газа в земной атмосфере и глобальным потеплением

Биохимический и морфологический анализ строения листьев ископаемых растений показал, что, в зависимости от концентрации атмосферного углекислого газа процессы фотосинтеза происходят по-разному. Это отображается на форме пропускающих газы пор на поверхности растений. Данные особенности окаменелостей были использованы для установления связи между глобальным потеплением, случившимся на планете несколько миллионов лет назад, и уровнем атмосферной двуокиси углерода.

Кроме того, результаты исследования помогут ученым спрогнозировать изменения климата, ожидающие Землю в будущем при сохранении сегодняшних тенденций.

Углекислый газ всегда входил в составляющие земной атмосферы, даже миллионы лет назад. Ученые относят это соединение к условной группе газов, названных парниковыми. Аналогия действия двуокиси углерода с парниковыми процессами основывается на уже установленном факте, согласно которому наблюдаемое на нашей планете повышение температуры за счет увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере сходно с тем, как в теплицах повышается температура при увеличении количества задержанного там солнечного света. Ученые объясняют, что парниковый эффект на Земле связан с затруднением возвращения тепла, приносимого на планету солнечными лучами, назад в космос. Причина этого явления точно неизвестна, но предполагается, что тепло задерживается молекулами определенных газов, отнесенных к парниковым, концентрация которых в атмосфере слишком велика.

Парниковый эффект приводит к глобальному потеплению на планете, которое в последнее время проявляется в таянии ледников, экстремальной погодной изменчивости и повышении уровня мирового океана. Хотя уровень углекислого газа в атмосфере – это не единственный фактор, определяющий глобальное потепление, ученые считают его одним из основных показателей.

Несмотря на то, что связь между ростом концентрации двуокиси углерода и потеплением давно предполагалась, чувствительность средней земной температуры к уровню двуокиси углерода в атмосфере пока не исследована. Поэтому, установив влияние повышения углекислого газа в атмосфере на палеоклимат, ученые надеются применить эти данные при предсказании климата нашей планеты в будущем.

Международная команда ученых во главе с исследователями из Южного методистского университета (ЮМУ), расположенного в Далласе, США, сделала большой шаг вперед в понимании этой чувствительности, по крайней мере, для доисторического времени. Их открытие состоит в том, что углекислый газ производил такой же парниковый эффект на Земле миллионы лет назад, как это происходит сегодня, и имел такое же большое влияние на будущее планеты. Геолог из отдела Наук о Земле ЮМУ, Теки Тесфамайкл, ведущий автор исследования, говорит, что если в будущем также будет происходить повышение уровня углекислого газа и парниковый эффект, планете не избежать печальных последствий.

«Чем больше мы понимаем взаимосвязь между концентрациями углекислого газа в атмосфере и глобальным потеплением в прошлом, тем более точно мы сможем предполагать изменения климата, ожидающие нас в будущем», - заявил Тесфамайкл.

Предметом изучения ученых послужили редкостные, хорошо сохранившиеся ископаемые листья, обнаруженные в районе Эфиопского нагорья в Африке. Открытие стало возможным за счет сравнения окаменелостей листьев цветущих растений одного вида, обнаруженных в двух недалеко расположенных один от другого местах, а также живших в разные геологические эпохи. Все работы велись учеными из ЮМУ, среди которых Рой М. Хаффингтон из Отдела наук о Земле, профессор Бонни Джейкобс, эксперт по палеоботанике и палеоклимату, Нейл Табор, специалист по седиментологии и осадочной геохимии, а также из других американских университетов. Кроме того, в исследованиях принимали участие их эфиопские коллеги.

Основной массив данных был получен путем биохимического анализа. По оценкам ученых, растения, которым принадлежали эти ископаемые листья, жили где-то в промежутке времени между 27 и 22 миллионами лет назад. Исследования однозначно установили разность температур, существовавшую на планете во время жизни каждого из этих растений, одно из которых происходит из позднего олигоцена, а второе – из раннего миоцена. Значительные отличия средней температуры на планете в эти два периода уже были известны ранее, из исследований океанских осадочных пород. Поэтому определение уровня двуокиси углерода в атмосфере на момент жизни каждого из этих растений стало важным дополнением при изучении вопроса глобального потепления.

Исследователи измерили и подсчитали поры листьев и эпидермальные клетки
на хорошо сохранившихся ископаемых листьяхиз высокогорья Эфиопии,
чтобы определить концентрацию углекислого газа,присутствующего
в атмосфере Земли 22 миллиона лет назад и 27 миллионов лет назад. Фото: SMU

Более древнее ископаемое было найдено в районе Чильга на северо-западе Эфиопии, скорее всего, на берегу древней реки, и отнесено к эпохе позднего олигоцена. По данным ученых, уровни углекислого газа в тогдашней атмосфере составляли около 390 частей на миллион, это такая же концентрация, как в атмосфере Земли на сегодня.

Другие окаменелости листьев, датированные миоценом, были обнаружены в осадочных породах, оставшихся на месте древнего озера, так называемых сланцах. Ископаемые открыты на территории современной долины Муша в центральной Эфиопии. Климат раннего миоцена был теплее, чем в олигоцене, а атмосферный состав характеризовался более высоким уровнем двуокиси углерода, около 870 частей на миллион, что в два раза превышает сегодняшние его показатели.

«Такие хорошо сохранившиеся листья – большая редкость среди ископаемых. Нам очень повезло, ведь обнаружить две окаменелости со столь хорошо сохранившимися останками редкостных доисторических ископаемых одного вида родом из разных временных интервалов в одном регионе – это огромная удача. Такое открытие позволило нам рассмотреть вопрос между соответствием уровня углекислого газа в атмосфере и глобальными температурами на планете, существовавшим несколько десятков миллионов лет назад», - сказал Тесфамайкл.

Исследование Теки Тесфамайкла и его коллег опирается на тот биологический факт, что изменение концентрации углекислого газа в атмосфере влияет на фиксацию углерода в листьях растений при фотосинтезе. Это приводит к возникновению анатомических и физиологических модификаций на поверхности листьев, произраставших в атмосферах с разным газовым составом. Так, изменяется плотность и размер устьиц – это поры на листьях, которые способны пропускать через себя углерод, необходимый для реализации фотосинтеза в растениях. Сегодня ученые уже обладают технологиями, позволяющими им измерить эти параметры у ископаемых листьев. Поэтому, исследование окаменелостей растений позволяет добыть информацию о содержании двуокиси углерода в атмосфере в определенный геологический период.

«В предыдущих работах мы уже обсуждали противоречивые данные о концентрациях углекислого газа в период олигоцена и миоцена», - комментирует Тесфамайкл. «Но более жесткий контроль возраста окаменелостей помог нам понять, есть ли корреляция между уровнем углекислого газа в атмосфере и глобальным потеплением, ставшим причиной олигоцен-миоценовой катастрофы».

Произведенные до этого момента исследования давали множество противоречивых результатов, ставивших под сомнение связь между высоким уровнем углекислого газа и климатическими изменениями, происходящими на планете последние 22 миллиона лет. Тесфамайкл и другие ученые удивлены тем, что прежние результаты не давали такой четкой корреляции между этими параметрами. Такая ситуация сильно озадачивала исследователей. Возможно, несоответствия данных были связаны с неправильным определением возраста ископаемых, исследованных в предыдущих работах. К примеру, они могли оказаться родом из одной и той же эпохи, хотя время их жизни было датировано по-другому, поэтому их листья имели одинаковое строение. Возможно, проблема состояла в несовершенстве применяемых методов анализа.

Некоторые из предыдущих исследований основаны на биохимическом моделировании связи между одноклеточными морскими окаменелостями и атмосферным углекислым газом, а другие полагаются на связь между строением устьиц и концентрацией углекислого газа в атмосфере, сравнивая эти данные также с информацией о ныне живущих родственниках отдельных видов ископаемых растений.

«Каждый метод анализа основан на определенных предположениях», - отмечает Тесфамайкл. «Мы планируем отследить, повторятся ли наши результаты в случае применения этих же методов исследования к другим ископаемым из данного временного интервала».

Таким образом, изучение ископаемых листьев из Африки разрешило доисторическую головоломку по поводу глобального изменения климата, а также подтвердило связь между повышением уровня углекислого газа в атмосфере и парниковым эффектом. Эти новые данные помогут понять, как рост концентрации двуокиси углерода в прошлом отразится на живых существах нашей планеты в будущем.

Ученые взволнованы тем, что количество углекислого газа в атмосфере может увеличиться вдвое и быть на уровне олигоцена по истечению ближайших ста лет, если не изменить нынешний подход к охране среды и контролю выбросов промышленных отходов в атмосферу. Полагаясь на новые данные, ученые смогут предположить, что именно изменится на Земле по достижению определенного уровня глобального потепления.

Исследование было опубликовано в журнале Geology.

Поделиться с друзьями: