|
Как Земля остается пригодной для жизни
|
|
|
|
Мы все знаем, что Земля особенная, но, возможно, не до конца осознаем, насколько хорошо нам живется на этой планете. В отличие от своих соседей по планете, Земля оставалась пригодной для жизни в течение миллиардов лет благодаря сложному, постоянно меняющемуся танцу стихий. Исследование, проведенное учеными из Чикагского университета, Университета Райса и Калифорнийского технологического института, проливает новый свет на хрупкий баланс биогеохимических циклов, которые поддерживают на Земле умеренный климат, гидратацию и процветание. Круговорот элементов между океанами, атмосферой и сушей играет определенную роль в поддержании стабильности климата, но он настолько сложен, что ученые обычно выделяют части целого, чтобы попытаться лучше понять, как они работают. Однако новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences 13 марта, предлагает другой подход.
|
|
|
|
Вместо этого исследователи предлагают широкую, упрощенную точку зрения, используя новый набор математических инструментов для освещения взаимосвязей между различными химическими циклами, которые ранее было трудно обнаружить. "Наш подход предоставляет новый способ определить фундаментальные строительные блоки стабильности в химических компонентах климата Земли — основные способы, с помощью которых климат может стабилизироваться в течение геологического времени благодаря перемещению элементов через океан, атмосферу и горные породы", - сказал Престон Косслетт Кемени (Preston Cosslett Kemeny), исследователь. Учикаго Т.К. Чемберлен - аспирант и первый автор статьи. "Это элегантный, упрощенный способ осмысления огромной проблемы, который организует множество предыдущих исследований элементарных циклов в пакеты химических реакций, которые могут быть сбалансированы и поняты", - сказал профессор Учикаго. Профессор Клара Блэттлер, старший автор статьи.
|
 |
|
|
|
Мы часто считаем само собой разумеющимся, что планета Земля поддерживала сложную жизнь на протяжении сотен миллионов лет. Но эта стабильность, конечно, не была гарантирована — достаточно взглянуть на соседние Марс и Венеру, которые сформировались примерно из тех же материалов, что и Земля, но в настоящее время даже не поддерживают жидкую воду. В чем секрет Земли? Ключевым аспектом является круговорот химических веществ. Такие элементы, как углерод, сера и кальций, перемещаются между сушей, океаном и атмосферой способами, которые поддерживали условия на поверхности Земли относительно стабильными на протяжении сотен миллионов лет. Например, ученые полагают, что температура на планете частично поддерживается за счет постепенного перемещения углерода взад и вперед между океаном, атмосферой и сушей. Когда углекислый газ накапливается в атмосфере и нагревает поверхность, это заставляет горные породы разрушаться быстрее, перемещая углерод в океан, а затем в породы на морском дне. На протяжении миллионов лет планета постепенно остывает, поскольку углерод всасывается из атмосферы.
|
|
|
|
Распутывание этих циклов было делом десятилетий. Это сложная задача, потому что циклы длятся миллионы лет, бесконечно меняются, происходят по всему земному шару и постоянно взаимодействуют друг с другом. Это настолько сложно, что ученые часто исследуют только фрагменты всей картины — обычно рассматривая ограниченное количество циклов элементов или небольшое подмножество их взаимодействий. Но когда кусочки головоломки отсутствуют, исследователям приходится делать предположения, чтобы заполнить пробелы. Кемени задался вопросом, не может ли такая работа затуманить общую картину того, как биогеохимические взаимодействия приводят к стабильности планеты. Он, вместе с Блэттлером, Марком Торресом из Университета Райса и Вудвордом Фишером из Калифорнийского технологического института, сделал шаг назад. Они провели математический анализ, в ходе которого рассмотрели широкий спектр химических реакций, включающих основные химические циклы, но не уточнили, как и в какой степени эти циклы взаимодействуют друг с другом.
|
|
|
|
Результатом является структура, которая идентифицирует все основные и второстепенные комбинации реакций, которые уравновешивают углеродный цикл Земли, и их взаимосвязи друг с другом — то, чего не хватало в этой области. С этой точки зрения климат Земли может быть представлен набором взаимосвязанных химических уравнений, которые должны уравновешиваться в течение определенных периодов времени. Авторы заявили, что их работа полезна, поскольку ученые продолжают изучать историю Земли и то, как климат менялся с течением времени. "Например, предположим, что вы рассматриваете гипотезу о том, почему климат менялся в прошлом — например, о сильном похолодании за последние 65 миллионов лет", - сказал Кемени. "Вы можете взять эту структуру и использовать ее, чтобы сказать: ну, если процесс X увеличился или уменьшился, то это также должно было привести к возникновению Y или должно было быть сбалансировано Z, и что вы должны учитывать эти результаты — так что с этим прогнозом мы можем искать доказательства для совместное функционирование всей геохимической системы."
|
|
|
|
Другие взаимосвязи между химическими циклами могут стать видимыми, если взглянуть на них с высоты птичьего полета. "Например, этот анализ выявил новый способ сбалансировать потоки углерода в системе океан-атмосфера при одновременном накоплении атмосферного кислорода", - сказал Кемени. В целом, "мы надеемся, что это прекрасный способ помочь понять все химические процессы, которые участвуют в превращении Земли в безопасное место для развития жизни", - сказал Блэттлер.
|
|
|
|
Источник
|
