Анализ изотопов углерода однозначно показывает, что скорость захоронения органических веществ в различные геологические эпохи различалась весьма существенно и достигала максимума во времена каменноугольного и раннего пермского периодов. Сложность опять заключается в том, чтобы ограничить предсказанные изменения какими-то разумными рамками. Изотопный анализ показывает, что содержание кислорода в атмосфере чрезвычайно сильно зависит даже от незначительных колебаний скорости захоронения органики. Мы уже отмечали в главе 2, что количество захороненного органического материала превосходит органическое содержимое всей живой материи — примерно в 26 тыс. раз, по данным Роберта Бернера. Это означает, что совсем небольшие колебания расчетной скорости захоронения (на основании изотопного анализа) на протяжении миллионов лет могут приводить к чрезвычайно сильным вариациям расчетного содержания кислорода, порой несовместимогo с жизнью. Должен существовать какой-то механизм, ограничивающий эти вариации. Беда в том, что мы его не знаем.
Безуспешно протестировав множество вариантов своей модели, Бернер наконец ухватился за идею, которую можно было проверить экспериментальным путем. А что, если степень предпочтения живыми системами изотопа 12С зависит от уровня кислорода? Другими словами, не меняется ли степень обогащения органического вещества изотопом 12С в зависимости от концентрации кислорода в воздухе? Когда мы измеряем количество захороненного углерода, мы считаем, что фиксированная часть углерода была захоронена в виде 12С. И если мы обнаруживаем в захороненной органике больше 12С (или больше 13С в известняке), мы объясняем это повышением скорости захоронения. Однако это может означать, что в захороненном органическом веществе увеличилась доля 12С. И если это так, общее количество захороненного углерода могло остаться прежним, просто в нем увеличилось содержание 12С. Если мы применяем правило фиксированного соотношения изотопов, мы завышаем общее количество захороненного углерода. К такому результату может приводить любой механизм, усиливающий предпочтение растений к изотопу 12С. Введение поправки снижает определяемое моделью количество захороненного углерода и, следовательно, нивелирует вариации концентрации кислорода. Другими словами, экстремальные флуктуации содержания кислорода в атмосфере, предсказанные с помощью традиционного изотопного анализа, можно сделать более реалистичными, учитывая избирательность растений по отношению к 12C при разном содержании кислорода в атмосфере. Если предпочтительное использование изотопа 12С по сравнению с изотопом 13С сильнее выражено при высоком содержании кислорода и слабее при низком содержании кислорода, предсказанные флуктуации концентрации атмосферного кислорода сохраняются в разумных пределах.
Вы удовлетворены? Возможно, нет, однако теоретически знакомый нам с вами механизм фотодыхания может оказывать именно такое действие. Выделяющийся при фотодыхании углекислый газ либо выходит в воздух, либо вновь захватывается Рубиско и превращается в сахара, белки и жиры. Поскольку углекислый газ образуется из органического вещества, он уже обогащен изотопом 12С. Получающееся из этого углекислого газа органическое вещество содержит еще больше легкого изотопа углерода. Мы обратили внимание на аналогичный эффект в главе 4 при обсуждении серных бактерий («дыхание в пластиковом пакете»). Скорость обогащения изотопом зависит от скорости фотодыхания, которая, как мы уже видели, растет с повышением концентрации кислорода. Таким образом, теоретически высокий уровень содержания кислорода способствует избирательному использованию изотопа 12С и вносит поправку в наши расчеты концентрации кислорода в воздухе. В теории, кажется, все логично, но что происходит на практике?
Бернер продолжил свои исследования совместно с Дэвидом Бирлингом и другими специалистами из Университета Шеффилда (Англия), а также из Гавайского университета. Они выбрали ряд фотосинтезирующих организмов из разных групп, включая покрытосеменные и цикадовые растения, а также морские одноклеточные водоросли, и выращивали их в лабораторных условиях в среде с разным содержанием кислорода. Результаты экспериментов были опубликованы в мартовском номере Science за 2000 г. и удивительным образом совпадали с тем, что предсказывала теория. Все исследованные организмы реагировали на повышение концентрации кислорода, становясь более избирательными по отношению к 12С. Однако сильнее всех реагировали растения, эволюционировавшие во время каменноугольного и в начале пермского периода. Например, при концентрации кислорода 21% цикадовые растения оставляли в воздухе 17,9 части на тысячу изотопа 13С, тогда как при концентрации кислорода 35% данный показатель достигал 21,1, что соответствует повышению содержания изотопа 12С на 18%. При снижении числа устьиц в листьях «эффект пластикового пакета» усиливается. Если учесть эти поправки, выявляется отличная корреляция между двумя методами — методом прямых измерений захороненного органического материала (массовый баланс) и методом изотопного анализа. Оба способа измерений показывают, что уровень кислорода во время каменноугольного периода достигал 35%. Бернер наконец доказал свою правоту.
Эти результаты не подтверждают окончательно, что в каменноугольном и раннем пермском периоде воздух был насыщен кислородом, но они меняют расстановку сил: теперь доказывать свою правоту приходится тем, кто не верит в возможность подобных изменений. А пока этим вопросом заинтересовались специалисты в других областях науки. Многие аспекты проблемы можно проанализировать непосредственно путем изучения палеонтологических летописей или измерения физиологических характеристик, таких как параметры полета стрекозы в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Однако мы по-прежнему не разобрались с парадоксом огня. Разве при столь высокой концентрации кислорода все вокруг немедленно не сгорит? Как удавалось избежать катастрофических лесных пожаров, о которых мы говорили выше?
Одна из особенностей современной науки заключается в невероятном объеме информации. Невозможно быть в курсе всех последних достижений даже в какой-то конкретной области исследований и при этом работать в лаборатории или лечить больных. Обычно ученые досконально разбираются в том, чем занимаются непосредственно, например в популяционной генетике, и в целом представляют себе ситуацию в смежных областях, таких как молекулярная биология. Но в более отдаленных сферах научной деятельности ученые, как и все другие люди, вынуждены многое принимать на веру. Пример с пожарами позволяет оценить, насколько какая-либо идея может закрепиться в общественном мнении, не подвергаясь никакой экспериментальной проверке.
В 1970-х гг. Лавлок и Уотсон заявили, что «при содержании кислорода выше 25% лишь небольшая часть нашей современной наземной растительности устоит перед повсеместными пожарами, которые уничтожат и тропические дождевые леса, и арктическую тундру», и что даже влажная растительность «скорее всего, будет гореть... так как огонь может возникнуть даже под проливным дождем». Когда мы соглашаемся с такими смелыми заявлениями, мы считаем, что они основаны на каких-то экспериментальных подтверждениях, давно признанных как очевидный факт. По крайней мере я думал именно так, пока не занялся поисками таких экспериментальных подтверждений. Работа на эту тему действительно была написана: аспирант Лавлока Эндрю Уотсон в 1978 г. защитил диссертацию, посвященную детальному анализу горения в среде с разным содержанием кислорода. К сожалению, некоторые сделанные им выводы не подкреплялись экспериментальными результатами.
