niketg

Всем привет!

Периодически общаясь по роду своей деятельности с согражданами на околоботанические темы, в конце концов, я услышал такой вопрос: "Почему трава зеленая?". Или, перефразируя: "Почему растения на нашей планете зеленые?" Уверен, что некоторые читатели сразу дадут правильный ответ, но в тот момент подобный вопрос застал меня врасплох. Отшутиться тоже было нельзя. Немного поразмыслив, я понял, что правильного ответа я, пожалуй, сразу сказать не могу. Разные варианты, крутившиеся у меня в голове,  лишь отодвигали проблему на новый уровень, не давая необходимого ответа. Пришлось немного запастись терпением.

Начать придется издалека. С нашего Солнца и излучения, которое оно испускает.

Снимок Солнца 9 апреля 2013 года. Иллюстрация NASA/SDO

Видимый свет, как и любое другое излучение, испускается порциями – квантами. Эти кванты бывают разными, и среди прочих различий они отличаются по длине волны. Длины волн видимого человеческим глазом света умещаются в диапазоне примерно от 400 до 700 нм. Каждому цвету радуги соответствует своя определенная длина волны. Самая коротая - у фиолетового, а самая длинная - у красного. Свет с длинной волны несколько меньшей, чем у фиолетового, называется ультрафиолет. Он не виден глазом. Этот свет несет много энергии и поэтому опасен для живых организмов. А свет, длина волны которого, в свою очередь, несколько больше, чем у красного, называется инфракрасным. Энергия инфракрасного излучения относительно мала, и, хотя оно тоже не видно человеческим глазом, мы все же можем ощутить его в виде теплового излучения.

Спектр излучения Солнца, наблюдаемый выше атмосферы Земли и на уровне моря

Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на видимую часть спектра. Конкретнее - на зеленый цвет. На первый взгляд, это кажется нелогичным! Ведь мы видим растения зелеными как раз из-за того, что именно зеленый цвет они преимущественно отражают, а поглощают остальные цвета. Почему же растения "выбирают" другие цвета спектра для поглощения?

Использование солнечного спектра в фотосинтезе растениями и бактериями

Если бы инженеры будущего проектировали на планете, подобной Земле, искусственные растения, они наверняка учли бы этот факт. Созданные ими растения использовали бы для фотосинтеза преимущественно зеленый цвет, с самой высокой интенсивностью. А еще лучше, если бы они использовали весь доступный видимый спектр целиком и были бы в таком случае черного цвета. Но биологическая эволюция не имеет сущности или цели, она не проектирует заранее будущие свои творения. Грубо говоря, она лишь использует уже существующие компоненты для решения текущих задач. Значит, и синий, и красный цвета, которые прежде всего поглощают растения, им нужны для чего-то конкретного, а не просто так.

Хлоропласты, содержащие хлорофилл, в клетках листа

Кванты синего цвета несут много энергии, а непосредственно для фотосинтеза достаточно излучения в красной области спектра. Таким образом, чтобы использовать синий цвет, у растений в хлоропластах существуют целые каскады из пигментов, проходя через которые квант синего цвета теряет часть своей энергии и становится безопасным для клетки квантом красного цвета, достаточным для фотосинтеза.

Экстракт хлорофилла в растворе освещённый белым светом (сверху) и ультрафиолетом, вызывающим его флюоресценцию (снизу)

Опять, на первый взгляд, какая-то нестыковка. Зачем клеткам тратить столько сил, чтобы погасить относительно большую энергию синих квантов, если достаточно использовать просто красные из солнечного спектра, которых намного больше?

Ключевое слово здесь - безопасность. Предшественники хлорофилла нужны были клеткам не для фотосинтеза, особенно такого сложного, как кислородный (он появился довольно поздно).  Прежде всего, они исполняли защитную функцию, рассеивая излишнюю энергию опасных для химии клетки квантов света либо в флюоресцентное свечение, либо в тепловую энергию. А использовать для фотосинтеза побочный продукт в виде красного свечения далекие предшественники растений научились уже потом.

Для человека это неочевидно, но вспомните свои ощущения, когда вы выходите из тени на солнечный свет. Насколько ярким он кажется! Так и растения не могут использовать и поглощать энергию всего спектра солнечного света. Он избыточен для них и даже может быть опасен, поэтому часть солнечного света они отражают, а часть трансформируют, переводя в более безопасное для них состояние. Благодаря этому бОльшая часть земных растений окрашена в зелёный цвет. Это свойство растений не возникло случайно, оно стало итогом причудливой и запутанной истории их возникновения, их эволюции.

Немного московских магнолий в ленту из ботанического сада сеченовского университета

Всем весны и тепла

Всем привет!

Пока, к сожалению, у меня не хватает времени на палеонтологическую серию постов, я решил поделиться с вами сегодняшним цветением необычного растения из тропиков Америки. Называется оно карлюдовика.

Carludovica palmata

Далее из соцветия скорее всего завяжется съедобный плод, похожий на плод монстеры. Однако, из-за кристаллов оксалата кальция, содержащихся в плодах, их следует употреблять с осторожностью.

Мы продолжаем погружаться в удивительные миры прошлого нашей планеты, а помогает нам в этом замечательная наука палеонтология. Теперь дошла очередь до, пожалуй, самого катастрофичного для многоклеточной жизни периода. Это - пермский период, или коротко - пермь. Этот период был выделен в геохронологической шкале на основе отложений Уральских гор и назван в честь города Перми. Длился период примерно 47 млн лет (с примерно 299 по 252 млн лет назад).

Типичный пейзаж пермского периода обычно ассоциируется с ранними пресмыкающимися и им подобными, например, диметродоном, приковывающим к себе внимание удивительным гребнем на спине. Несмотря на свой облик, диметродон эволюционно ближе к млекопитающим, чем к рептилиям. А на заднем плане растут гигантские древовидные хвощи каламиты.

Именно на конец пермского периода приходится самое опустошительное за последние 542 млн лет массовое вымирание в истории Земли. Это событие оказалось в геологическом масштабе настолько быстрым и настолько катастрофическим для жизни на планете, что описание всего пермского периода часто сводится к длительному и детальному поиску причин и перечислению последствий великого пермского вымирания (the Great Dying в англоязычной литературе), а также к рассмотрению перспектив грядущей планетарной катастрофы. И в самом деле, что случилось один раз, вполне может произойти и во второй.

Однако тема массового вымирания настолько объемна, что требует отдельного дальнейшего обсуждения. Пока же логичнее просто попытаться представить тот, обреченный на катастрофу, мир, который мог бы увидеть путешественник во времени, попавший в пермский период. Здесь хочется сделать небольшое отступление и сказать, что весь пост - это личная точка зрения автора, который, впрочем, пытался быть объективным, но насколько это ему удалось - остается судить читателям.

Итак, начало пермского периода. Наземная флора и фауна, недавно пережившая кризис карбоновых лесов и связанное с ним похолодание, изменяется и приспосабливается к новым условиям. Появляются современные группы растений, такие как гинкговые и саговники.

Современный энцефаляртос вуда - очень редкий вид саговниковых, не встречается в дикой природе. Со времен своего появления в перми саговники очень мало изменились, многие из них отлично приспособлены к жизни в засушливых местах обитания.

Круговорот углерода стал теперь более совершенен, благодаря более эффективной деятельности микроорганизмов-деструкторов органики, в результате чего концентрация в атмосфере парниковых газов (прежде всего углекислого) возрастает в разы. Высвобожденный углерод в составе углекислого газа возвращается в атмосферу, и планета неуклонно разогревается. Оледенение, сковывающее южный полюс, проходит. Литосферные плиты двигают континенты навстречу друг другу, в результате чего образуется единый суперконтинент Пангея.

Пангея, расположившаяся по обе стороны от экватора и простирающаяся практически от полюса к полюсу, меняет циркуляцию морских течений и, как следствие, климат. Климат Пангеи далек от идеального. Существовавшая ранее вдоль экватора полоса влажных тропических лесов разрушается, ей на смену во внутриконтинентальных регионах приходят растения бедных осадками, засушливых районов и пустынь.

Климат средней и верхней перми по-прежнему, как и в карбоне, отличался зональностью, однако, был заметно теплее. Огромные по площади тропические и экваториальные внутриконтинентальные зоны были, по-видимому, аридными. Влажный климат существовал лишь в районе океана Палео-Тетис, а так же в части зон умеренного климата северного и южного полушарий.

В таких условиях в выигрыше остаются амниоты, появившиеся чуть ранее, однако, лучше приспособленные к аридному климату. Амниоты разделились на две большие группы:  завропсид (включающих в себя в том числе рептилий, птиц и динозавров) и синапсид (млекопитающих и их зверообразных предшественников), вероятно, еще в карбоне. Теперь же они все вместе в значительной степени избавились от конкуренции со стороны амфибий и заняли новые экологические ниши по-настоящему наземных животных, заселив огромный континент.

Знакомая многим из детства реконструкция одного из первых больших наземных хищников, иностранцевии, выполненная знаменитым чешским художником Зденеком Бурианом.

Громадный суперокеан Панталасса, занимающий около 70% поверхности планеты, омывает берега Пангеи. И хотя из-за тектонических процессов субдукции дно суперокеана не сохранилось до наших дней, полагают, что современный Тихий океан образовался из центральных областей Панталассы. Второй крупный океан, Палео-Тетис, вдавался в берега Пангеи с востока и был причиной относительно мягкого и влажного климата прибрежных регионов, создавая убежища для влаголюбивых наземных обитателей.

Геликоприон - не разгаданная загадка пермских морей. Обычно реконструируемый как примитивная акула со спиралью в виде зубов во рту. Однако, у палеонтологов нет никаких других окаменелостей животного, кроме причудливой спирали из элементов, похожих на зубы, из-за этого до сих пор существует несколько гипотез, как на самом деле выглядело это существо.

В таких жарких условиях будет происходить действие следующего акта великой драмы в истории жизни на Земле - массового пермского вымирания...

Возобновляем наше традиционное палеонтологическое родео) В прошлый раз мы остановились в конце девонского периода, бегло окинув взором местное зеленое вымирание. А сейчас речь пойдет о следующем периоде в истории Земли - каменноугольном, или, как его еще называют, карбоне. Правда, карбон карбоном называют не все. Особо патриотичные американские ученые разделяют каменногоугольный период аж на два - миссисипий и пенсильваний, но мы не будем так усложнять себе жизнь.

Где-то в районе экватора, примерно 319997983 год до н.э.

Каменноугольный период длился около 60 млн лет, примерно с 359 по 299 млн лет назад. Даже такие небольшие по геологическим меркам отрезки времени, как 60 миллионов лет, колоссальны по сравнению с человеческой жизнью, и в голове нормального человека, как правило, не умещаются, поэтому описывать их приходится, сжимая до нескольких значимых событий, но тут уж ничего не поделаешь.

Итак, самое значимое событие, благодаря которому период и получил свое название, - это накопление и захоронение большого количества органики, которая спустя миллионы лет превратится в громадные залежи каменного угля. Так откуда все этот уголь взялся? Чтобы ответить на этот вопрос, придется начать издалека, с климата.

Вообще, климат Земли на протяжении более чем полумиллиарда последних лет был довольно теплым, заметно теплее, чем сейчас. То, что мы с вами живем в ледниковом периоде, вовсе не значит, что этакое положение дел - норма для планеты. Скорее верно обратное, преимущественно субтропический, равномерно теплый по всей планете климат - вот нормальное состояние для Земли. Именно такой термоэрой, то есть периодом времени, когда климат по всей планете теплый и выровненный, характеризуется середина девона, когда растения начали свой победный марш по материкам.

Нейроптерис - лист семенного папоротника.

Термоэра благоприятствовала колонизации растениями суши и образованию почв, предоставляя тем самым кров и пищу первым наземным животным, прежде всего разнообразным членистоногим, таким как многоножки, паукообразные и насекомые. В начале карбона наземные растительные сообщества продолжают развиваться и усложняются. Растения, конкурируя между собой за место под солнцем и коэволюционируя с потребителями готовой органики (в том числе, с теми же самыми членистоногими), теперь менее зависимы от воды, что помогает им расселяться даже по внутренним областям материков.

Полярная ночь над томиодендронами Ангариды, 350 млн лет назад

Также первые 15 млн лет карбона еще называют "Ромеровский провал", в течение которого происходит существенное временное исчезновение из палеонтологической летописи четвероногих позвоночных. Что, видимо, может быть связано с быстро меняющейся околоводной средой.

Крассигиринус - один из немногих представителей тетрапод из ромеровского провала. Крассигиринус достигал длинны двух метров

Богатая углекислым газом атмосфера (углекислого газа примерно в 8 раз больше по сравнению с современным доиндустриальным уровнем) обеспечивает наземные растения самым необходимым для жизни элементом - углеродом. Но углерод обратно в атмосферу не возвращается. По всей видимости, в карбоне не было или было еще крайне мало организмов, которые могли быстро и эффективно перерабатывать такие сложные вещества, как лигнин, формирующий твердые стенки растительных клеток. Тем самым, на протяжении всего карбона идет неуклонный отбор углерода из атмосферы и его захоронение. Именно из углерода, входившего в состав углекислого газа атмосферы, и благодаря росту наземных лесов в конечном итоге образовались огромные залежи каменного угля. Содержание же углекислого газа в атмосфере понижается до критических концентраций - в среднем примерно в три раза превышающих современный уровень. В свою очередь, концентрация кислорода в атмосфере наоборот неуклонно растет и в карбоне имеет максимальный уровень за всю историю Земли, благодаря чему у насекомых появляется возможность стать гигантами.

Стрекоза меганевра (Meganeura monyi) жила в самом конце каменноугольного периода. Размах ее крыльев достигал 65 см.

Своеобразная климатическая катастрофа, устроенная высшими растениями из-за несовершенства круговорота углерода, меняет климат на планете. Ведь углекислый газ, один из основных парниковых газов, активно выводится из атмосферы, тем самым создается обратный парниковый эффект, когда из-за недостатка парниковых газов уже не просто холодает, а изменяется климат по всей планете. Уже в начале карбона он становится ярко выраженным зональным, похожим на современный. Только около экватора располагается полоска тропических лесов, еще дальше к полюсам находятся обширные бореальные леса, аналогичные современной тайге, а на полюсах формируются ледяные шапки. Климат из термоэры переходит в криоэру.

Глоссоптерис - ископаемое дерево, широко распространенное в умеренном поясе южного полушария в карбоне. В том числе на основе его находок удалось показать единство материков, составлявших некогда единый южный материк - Гондвану. Иногда считается, что глоссоптерис  - это дальний родственник современного гинкго. 

Отдельно стоит упомянуть повсеместно встречающуюся ошибку в описании карбонового периода, как жаркого и влажного. Этим грешат даже в нашей лиге палеонтологов. Такая точка зрения сформировалась еще в позапрошлом веке, на основе данных из Европы и Америки, которые, к слову, в карбоне составляли один континент и находились на экваторе. Позже были получены данные по Гондване и Ангариде и выяснилось, что на этих внетропических материках был вполне себе сезонный климат, сходный с привычным нам умеренным. А на территории современных Индии и Южной Африки, которые тогда располагались в районе южного полюса, вообще было оледенение. Но, несмотря на эти данные, представление о карбоне, как теплом времени, закралось даже в школьные учебники.

В итоге, к концу карбона в конце московского - начале касимовского веков происходит так называемый кризис карбоновых лесов (Carboniferous rainforest collapse) - относительно небольшое массовое вымирание, когда температура на планете опускается настолько, что зона тропических болотистых лесов, опоясывающая планету на материках вдоль экватора, разрушается. Тропические заболоченные леса фрагментируются, концентрируясь в отдельных рефугиумах, а их состав существенно меняется.

Отпечаток коры лепидодендрона (Lepidodendron lycopodioides) выглядит словно чешуя доисторической рептилии. Лепидонендроны - сосудистые древесные растения, родственники современных плаунов. Во времена своего расцвета в каменноугольном периоде они формировали целые тропические леса на заболоченных территориях.

После кризиса карбоновых лесов каждый оставшийся островок жизни вступил на свой эволюционный путь, в результате возникло много уникальных и эндемичных видов, но это уже друга история...