Ученые обнаружили, что атмосфера содержала гораздо меньше CO2, чем считалось ранее, когда на нашей планете появились леса, новое исследование имеет важные последствия для понимания того, как наземные растения влияют на климат.

Исследование проводилось под руководством Копенгагенского университета в сотрудничестве с Ноттингемским университетом и изменяет 30-летнее предыдущее понимание. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Континенты Земли были колонизированы высокими деревьями и лесами около 385 миллионов лет назад. До этого на землю вторглись мелкие кустарниковидные растения с сосудистой тканью, стеблями, неглубокими корнями и без цветов. Учебники говорят нам, что в то время в атмосфере было гораздо больше CO2, чем сегодня, и что интенсивный парниковый эффект привел к гораздо более теплому климату. Ранее считалось, что появление лесов способствует удалению CO2 из атмосферы, в результате чего Земля вступает в длительный прохладный период с ледяным покровом на полюсах.

Восстановление уровней CO2 в атмосфере в геологическом прошлом является сложной задачей, и ранее полагались на прокси, которые также зависят от параметров, которые должны были быть приняты. Климатологи сходятся во мнении, что CO2 играет решающую роль в формировании климата Земли как сегодня, так и в прошлом. Таким образом, грандиозная задача для ученых Земли состоит в том, чтобы понять, что контролировало содержание CO2 в атмосфере.

"Мы откалибровали механистическую модель газообмена между листьями растений и окружающим воздухом для старейшей линии сосудистых наземных растений, а именно клубнелуковиц. При таком подходе мы могли бы рассчитать уровень CO2 в воздухе исключительно на основе наблюдений, сделанных на растительном материале", - говорит доцент Таис В. Даль из Института Глобуса Копенгагенского университета, которая руководила исследованием в сотрудничестве с международной группой исследователей из Германии, Саудовской Аравии, Великобритании и в США

Новый метод основан на трех наблюдениях, которые могут быть сделаны как в живых растениях, так и в тканях ископаемых растений, включая соотношение двух стабильных изотопов углерода и размер и плотность устьиц (отверстий пор), через которые растение поглощает CO2. Исследователи откалибровали метод на живых клубных мушках и обнаружили, что этот подход может точно воспроизводить уровни CO2 в окружающей среде в теплице.

"Недавно откалиброванный метод изучения уровней CO2 по геологическим данным превосходит предыдущие подходы, которые дают оценки с несвязанными столбцами ошибок просто потому, что они зависят от параметров, которые не могут быть независимо ограничены в геологической летописи", - говорит Барри Ломакс, профессор Ноттингемского университета и соавтор исследования.

Исследовательская группа применила этот метод к некоторым из древнейших ископаемых сосудистых растений, которые жили до и после появления деревьев на нашей планете, и обнаружила, что соотношение двух стабильных изотопов углерода, углерода-13 и углерода-12, очень похоже на соотношение современных растений. Кроме того, плотность и размер устьиц также были очень похожи на те, что наблюдались у их живых потомков. Эти наблюдения положили начало более тщательному исследованию ранних записей о выбросах CO2.

Даль и его коллеги собрали данные по 66 окаменелостям трех различных видов клубневых мхов, найденных в девяти различных местах по всему миру возрастом от 410 до 380 миллионов лет. Во всех случаях уровни CO2 в атмосфере были всего на 30-70% выше (~525-715 промилле), чем сегодня (~415 промилле). Это намного ниже, чем считалось ранее (2000-8000 промилле). Промилле означает частей на миллион и является единицей измерения концентрации углекислого газа в воздухе.

Команда использовала модель палеоклимата, чтобы показать, что Земля была планетой с умеренным климатом со средней температурой тропического приземного воздуха 24,1–24,6 °C.

"Мы использовали полностью связанную модель атмосфера-океан, чтобы обнаружить, что полюса Земли были покрыты льдом, когда появились леса. Тем не менее, наземные растения могут процветать в тропической, субтропической и умеренной зонах", - объясняет Георг Фельнер из Потсдамского института климата в Германии, который является соавтором исследования.

Новое исследование предполагает, что деревья на самом деле играют незначительную роль в уровне атмосферного CO2 в более длительных временных масштабах, потому что ранние деревья имели более глубокие корневые системы и производили более развитые почвы, которые связаны с меньшей потерей питательных веществ. Благодаря более эффективной переработке питательных веществ в почвах деревья на самом деле менее подвержены атмосферным воздействиям, чем мелкая кустарниковая растительность, которая была до них. Эта идея противоречит предыдущему мнению о том, что деревья с более глубокой корневой системой способствуют удалению CO2 за счет усиленного химического выветривания и растворения силикатных пород.

Даль и его коллеги использовали модели земной системы, чтобы показать, что примитивные сосудистые растения, похожие на кустарники, могли вызвать значительное снижение содержания CO2 в атмосфере ранее в истории, когда они впервые распространились по континентам. Модель показывает, что сосудистая экосистема одновременно привела бы к повышению уровня O2 в атмосфере.