Компьютерное моделирование направленного потока от взрыва сверхновой, сталкивающегося с солнечным ветром. Из-за этого гелиосфера деформируется. Красная точка — Солнце, пунктиром показана орбита Земли, Proceedings of the National Academy of Sciences
За всю историю Земли не раз происходили массовые вымирания, во время которых большая доля таксонов исчезала за короткое по геологическим меркам время. На фанерозой пришлось пять крупных массовых вымираний и около 20 менее значительных. Основные гипотезы об их причинах — вулканические явления планетарного масштаба или импактные события. Американские ученые выдвинули гипотезу, согласно которой причиной позднедевонского массового вымирания (одного из крупных) был взрыв сверхновой на расстоянии около 65 световых лет от Земли. Авторы исследования обосновали с помощью расчетов, что космические лучи от этого события могли быть достаточно сильными, чтобы разрушить озоновый слой Земли и вызвать долговременное радиационное повреждение форм жизни, вызвав кризис биоразнообразия. Такая гипотеза о причине девонского вымирания в научной литературе приводится впервые.
Позднедевонское вымирание отличается от других массовых вымираний прежде всего тем, что оно было растянутым во времени. Сокращение биоразнообразия продолжалось в течение всего фаменского века (372,2–358,9 млн лет назад) — последнего века девонского периода. Разные исследователи выделяют до семи отдельных событий, но два основных эпизода вымирания — событие Келлвассера на границе франского и фаменского веков 374,5 млн лет назад, и событие Хангенберга, произошедшее 359 млн лет назад в самом конце девона, на рубеже с каменноугольным периодом — отмечаются всеми.
С первым эпизодом был связан упадок морских видов. Отложения этого периода по всему миру представлены черными сланцами, образующимися в бескислородной восстановительной среде. Поэтому в качестве причины события Келлвассера обычно приводят аноксию океана (anoxic event) — критическое снижение содержания кислорода в воде.
Кроме того, в пограничных отложениях франского и фаменского веков во многих местах планеты фиксируется так называемая «ртутная аномалия» — аномальные всплески содержания ртути, которые считаются надежным свидетельством масштабных вулканических событий (G. Racki, 2020. A volcanic scenario for the Frasnian–Famennian major biotic crisis and other Late Devonian global changes: More answers than questions?). В частности, именно в это время происходили массовые извержения в Вилюйской вулканической провинции в Восточной Сибири — одной из крупных магматических провинций палеозоя.
Второй эпизод — событие Хангенберга — характеризовался резким сокращением наземных видов животных и растений. Особенно оно сказалось на позвоночных: на рубеже девонского и каменноугольного периодов вымерло 50% отрядов и более 96% видов этого подтипа.
В целом позднедевонское вымирание было даже более сокрушительным, чем знаменитое мел-палеогеновое, при котором с лица Земли исчезли все нептичьи динозавры. Но внятного объяснения его причин не удается привести именно в силу того, что оно было не одномоментным, а происходило на протяжении длительного времени.
В мае 2020 года в журнале Science Advances появилась статья британских ученых из Саутгемптонского университета, в которой они сообщили о результатах изучения трех непрерывных разрезов озерных отложений верхнего девона — нижнего карбона в Восточной Гренландии.
Хорошо сохранившиеся разрезы наземных отложений, обычно подверженных эрозии, — большая редкость, а особенно те, в которых фиксируется граница между периодами. В Восточной Гренландии полный разрез сохранился, потому что в позднем девоне — раннем карбоне здесь было крупное озеро, на дне которого непрерывно накапливались осадочные отложения, толщу которых мощностью от 2 до 4 м ученые проследили на расстояние 75 км.
Проведенные палинологические исследования показали, что в слоях, относящихся по времени ко второму эпизоду позднедевонского вымирания, пыльца и споры наземных растений деформированы, имеют множество дефектов формы и скульптурных отростков, обладают более темной окраской, а среди спор присутствует большое количество тетрад.
Нормальные и деформированные образцы спор Grandispora cornuta из верхнедевонских озерных отложений Восточной Гренландии: D, E — нормальные образцы; F–H — образцы с уменьшенным количеством шипов и их неравномерным расположением; I, J — образцы с повышенной пигментацией; К–Р —деформированные; Q — изолированное внутреннее тело без оболочки и шипов; R, V, W — тетрады, в том числе с сильной пигментацией; S–U — неправильные слипшиеся образования. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances
Подобные повреждения, по мнению авторов, возникают при воздействии на растения ультрафиолетового излучения средней длины — так называемых УФ-В лучей. Обычно эта часть солнечного излучения задерживается атмосферой Земли, а до поверхности доходит только длинноволновой ультрафиолет ближнего диапазона — УФ-А, безопасный для живых существ.
Отсюда исследователи делают вывод о том, что на рубеже девона и карбона имело место нарушение защитного озонового слоя, что и вызвало упадок наземных биосообществ. В статье отмечается, что в отложениях турнейского века (первого века каменноугольного периода) остатки крупных растений практически полностью отсутствуют, а восстановление их начинается только в визейском веке, спустя 10 млн лет.
Обилие растительных находок (1-2-3) в разрезе фаменского яруса девона, турнейского и нижней части визейского ярусов карбона. По горизонтали — толщина стеблей ископаемых растений, по вертикали — мощность отложений и их абсолютная отметка в разрезе. Серой полосой показан интервал, в котором полностью отсутствуют растительные остатки, красными стрелками — слои, в которых отсутствуют остатки крупных растений. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances
Похожие деформации пыльцы и образование тетрад спор палеоботаники отмечали и для других массовых вымираний — пермского и триасово-юрского. Обычно их интерпретировали как следствие воздействия на растения вредных вулканических газов в период извержений в крупных магматических провинциях. Но в пограничных отложениях девона и карбона аномалии ртути отсутствуют, а значит вулканы тут ни при чем. В то же время, состав отложений указывает на то, что к концу девонского периода произошло общее потепление климата.
Авторы статьи высказывают предположение, что из-за увеличения температур у поверхности Земли усилилась атмосферная конвекция и в стратосферу, где находится озоновый слой, стало поступать больше водяного пара. Этот пар участвовал в каталитических реакциях преобразования неорганических соединений хлора (в первую очередь HCl и ClON2O) в ClO — свободные радикалы, разрушающие озон. Такой же механизм действовал и для соединений брома.
То, что после конвективной закачки воды в нижнюю стратосферу в ней появляются свободные радикалы хлора и брома и уменьшается содержание озона, подтверждено наблюдениями и моделированием (J. G. Anderson et al., 2017. Stratospheric ozone over the United States in summer linked to observations of convection and temperature via chlorine and bromine catalysis). Однако, этот эффект обычно кратковременный, так как поступающий в стратосферу водяной пар подвергается фотолизу, а ClO превращается обратно в HCl и ClON2O примерно через неделю. А так называемые конвективные штормы происходят не постоянно, а лишь эпизодически, и только в весенне-летний период.
К тому же вертикальный диапазон подобных процессов ограничен нижними слоями стратосферы — 12–18 км над уровнем моря, а стратосферный озон в основном сосредоточен на высоте от 20 до 30 км, то есть большая часть озонового слоя при таком сценарии остается незатронутой. Более того, эффект конвективного усиления обычно ограничен географическими границами. К примеру, регулярно появляющаяся и исчезающая озоновая дыра над Антарктидой, через которую к поверхности Земли проникают УФ-В лучи, пока никак не повлияла на состояние экосистем.
В работе, которая недавно была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, американские ученые из Иллинойсского университета во главе с профессором астрономии и физики Брайаном Филдсом (Brian Fields) предположили, что долгосрочное истощение озонового слоя в конце девонского периода было связано с какой-то космической причиной.
Авторы провели расчеты, которые показали, что ни удары метеоритов, ни солнечные вспышки, ни слияния нейтронных звезд с образованием килоновых, ни гамма-всплески не могли дать такой эффект. Для этого было необходимо длительное воздействие, характерное только для взрывов сверхновых.
Результаты моделирования подтвердили, что катастрофическое разрушение стратосферного озона, способное вызвать нарушения, зафиксированные в ископаемых растениях в конце девонского периода, могло быть вызвано действием ионизирующего излучения от взрыва сверхновой.
Предположение о том, что взрывы сверхновых могут быть причиной массовых вымираний, было высказано еще в 1950-х годах. Сверхновые распространяют в космос пучки ионизирующих фотонов — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. При определенной интенсивности, по мнению ученых, они могут истощить озоновый слой. Сначала «дальность поражения» оценивали в 25–50 световых лет, но сейчас авторы показали расчетным путем, что объект излучения может находиться и дальше — до 65 световых лет, а поток заряженных частиц от взрыва сверхновой может «омывать» Землю в течение 100 тысяч лет. То есть, в отличие от эпизодического, сезонного и географически ограниченного истощения озонового слоя, вызванного усилением атмосферной конвекции, последствия взрыва сверхновой будут долгоживущими и глобальными.
Ископаемые свидетельства говорят о том, что снижение биоразнообразия на границе девона длилось на протяжении 300 тысяч лет — сначала появились дефекты спор и пыльцы и потеря их разнообразия, за которыми последовал упадок и исчезновение многих видов растений и животных, включая протодеревья, пластинокожих рыб, трилобитов, аммонитов, конодонтов, хитинозойных (Chitinozoan) и акритархов. По мнению авторов, это может свидетельствовать о нескольких катастрофических событиях (то есть, возможно, что в те времена в Галактических окрестностях Солнца последовательно произошло несколько взрывов сверхновых).
То, что потоки энергии и вещества, выброшенные при взрывах сверхновых, периодически достигают Земли, подтверждено находками космогенного радиоизотопа железа-60 в отложениях возрастом 6–8 и 2–3 млн лет (A. Wallner et al., 2016. Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe).
Железо-60 не образуется на Земле или в Солнечной системе — оно формируется именно при взрывах сверхновых. К сожалению, этот радиоизотоп нельзя использовать для доказательства предложенной авторами исследования гипотезы массового вымирания, произошедшего 359 млн лет назад, потому что период полураспада железа-60 составляет всего 2,6 млн лет.
Больше для этого подходят другие изотопы — плутоний-244 и самарий-146, также не образующиеся на Земле, а попадающие на ее поверхность с потоками вещества сверхновых, но которые, в отличие от железа-60, обладают более длинными периодами полураспада. Если хоть один из этих изотопов будет найден в отложениях верхнего девона, можно будет считать гипотезу доказанной, отмечают ее авторы.
Кстати, совсем недавно в еще одной статье, опубликованной в том же журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, геохимики, изучавшие керны глубоководных скважин, пробуренных в Индийском океане, сообщили, что все отложения последних 33 тысяч лет обогащены изотопом железа-60, правда концентрации его не такие высокие, как должны быть при взрыве сверхновых. К тому же они одинаковые во всех изученных слоях.
Авторы считают, что 33 тысячи лет назад Солнечная система влетела в газово-пылевое облако, образовавшееся на месте недавнего взрыва сверхновой, в котором еще сохранились атомы железа-60, и находится в нем до сих пор. И все это время космогенный изотоп железа равномерно оседает на поверхность Земли и других планет Солнечной системы. Найден он был и в образцах лунного грунта, доставленного на Землю.
Источники:
1) Brian D. Fields, Adrian L. Melott, John Ellis, Adrienne F. Ertel, Brian J. Fry, Bruce S. Lieberman, Zhenghai Liu, Jesse A. Miller, Brian C. Thomas. Supernova triggers for end-Devonian extinctions // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. DOI: 10.1073/pnas.2013774117.
2) John E. A. Marshall, Jon Lakin, Ian Troth, Sarah M. Wallace-Johnson. UV-B radiation was the Devonian-Carboniferous boundary terrestrial extinction kill mechanism // Science Advances. 2020. DOI: 10.1126/sciadv.aba0768.
3) A. Wallner, J. Feige, L. K. Fifield, M. B. Froehlich, R. Golser, M. A. C. Hotchkis, D. Koll, G. Leckenby, M. Martschini, S. Merchel, S. Panjkov, S. Pavetich, G. Rugel, S. G. Tims. 60Fe deposition during the late Pleistocene and the Holocene echoes past supernova activity // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. DOI: 10.1073/pnas.1916769117.
Владислав Стрекопытов, Элементы
