Африканская саванна, которую сегодня невозможно представить без высокой травы, редких деревьев и стад крупных животных, начала формироваться значительно раньше, чем считалось до сих пор. Новое исследование показывает: открытые травянистые пространства появились в Африке около 15 миллионов лет назад, то есть, примерно, на пять миллионов лет раньше традиционно принятой даты. Причем современные засухоустойчивые травы C4 появились здесь значительно позже — они пришли уже на территорию, которая успела стать открытой, передает inbusiness.kz со ссылкой на earth.com.
Это открытие меняет привычную картину происхождения одного из самых узнаваемых ландшафтов планеты. Долгое время считалось, что африканские саванны начали распространяться около 10 миллионов лет назад, когда по тропикам стали активно расселяться травы, использующие особый тип фотосинтеза, позволяющий лучше переносить жару и засуху.
"Однако оказалось, что сама открытость ландшафта возникла раньше. Современная трава не была причиной первоначального исчезновения лесов. Она появилась позднее и, фактически, изменила уже существовавшую травянистую экосистему", - сообщили ученые.
К такому выводу исследователи пришли, благодаря материалам, которые, на первый взгляд, имеют мало общего с африканской саванной. Ученые изучали древние отложения на дне Атлантического океана у северо-западного побережья Африки. В морской грязи сохранились химические следы растений, которые росли на континенте миллионы лет назад.
Анализ проводила Анна Шартман, работавшая над исследованием в качестве аспирантки кафедры океанских наук Калифорнийского университета в Санта-Крусе. Вместе с научным руководителем Пратигьей Полиссар и Кэролайн Стрёмберг из Музея Берка в Сиэтле она попыталась восстановить древнюю историю африканского ландшафта по растительному материалу, который ветер переносил с континента в океан.
"Ключом к разгадке стали восковые вещества на поверхности листьев. Каждый лист покрыт восковым слоем, который помогает растению уменьшать потерю воды. Когда над северо-западной Африкой поднимаются пыль и частицы почвы, ветер переносит вместе с ними и микроскопические фрагменты растительного воска. В конечном итоге, они оседают в Атлантическом океане и оказываются погребены в донных отложениях", - пояснили авторы исследования.
Для исследования ученые использовали два керна, полученных на плато и поднятии Кабо-Верде примерно в 310 милях, или 500 километрах, от берега. Отложения там формировались практически непрерывно с позднего олигоцена до конца миоцена.
Один из кернов исследователи анализировали с интервалом в 100 тыс. лет на протяжении основной части изучаемого периода. Еще около 40 образцов было взято из второго керна для дополнительной проверки результатов. Все материалы были получены в рамках Международной программы океанских исследований.
Из общего числа исследованных образцов 158 оказались достаточно хорошо сохранившимися, чтобы по ним можно было определить растительное происхождение органического материала. Это составляло около 96% всей выборки.
Сам химический состав восков позволил ученым отличить растения друг от друга. Деревья и кустарники производят больше молекул определенной, более короткой длины, тогда как травы и невысокие листовые растения оставляют больше длинноцепочечных молекул.
Чтобы убедиться, что эта закономерность действительно работает для Африки, исследователи сравнили древние образцы с 967 измерениями восковых соединений современных африканских растений.
"Результат оказался особенно интересным. Примерно между 16 и 14 миллионами лет назад соотношение растительных восков начало заметно меняться. Длинные молекулы стали встречаться гораздо чаще коротких. Такой переход характерен для ситуации, когда травы начинают занимать территории, которые прежде были покрыты деревьями и кустарниками", - отметили исследователи.
Уже около 15 миллионов лет назад каждая новая серия образцов заметно отличалась от более древних. При этом первоначальный переход к открытому ландшафту, судя по данным, оказался необратимым.
Именно здесь возникает один из главных вопросов исследования. Что происходило с климатом в этот период?
"Между 16,9 и 14,7 миллиона лет назад Земля переживала самый теплый этап миоцена. Затем планета начала резко охлаждаться и становиться суше. Именно на фоне этого климатического перелома травянистые сообщества, судя по данным, распространялись особенно быстро", - пояснили ученые.
Предыдущие исследования северо-западного побережья Африки относили появление здесь травянистых ландшафтов, примерно, к 10 миллионам лет назад. Новые данные отодвигают эту границу еще на пять миллионов лет.
Но еще более неожиданным оказался следующий результат.
"Оказывается, первые травы, которые сделали ландшафт Африки открытым, не были теми самыми засухоустойчивыми травами, которые сегодня ассоциируются с африканскими саваннами", - заявили авторы научного проекта.
Исследователи использовали второй показатель, позволяющий определить, какие именно растения присутствовали в древнем ландшафте. Речь идет о химической подписи углерода.
Травы, растущие в жарких и сухих условиях, нередко используют разновидность фотосинтеза, известную как C4. При этом углекислый газ концентрируется перед его фиксацией. Большинство других растений использует более древний путь фотосинтеза. Разница между этими двумя механизмами отражается в составе углерода и сохраняется в древних отложениях.
В образцах, относящихся к среднему миоцену, углеродная подпись оставалась преимущественно характерной для более древнего типа растений.
"Иными словами, первые травы, распространившиеся по северо-западной Африке, не относились к засухоустойчивой группе C4. Причем сегодня в низменных районах субтропической Африки практически не встречается растительное сообщество с таким сочетанием признаков", - отметили исследователи.
Это обстоятельство заставляет по-новому взглянуть на последовательность событий.
Сначала лесные и древесно-кустарниковые территории начали превращаться в травянистые пространства. И только спустя некоторое время одна разновидность травянистого сообщества стала сменяться другой.
"Современные C4-травы не открыли Африку. Они пришли на уже открытые территории", - считают ученые.
Другие данные из Африки хорошо вписываются в эту картину. В Восточной Африке пыльца трав составляла около 40% всех обнаруженных пыльцевых зерен, примерно, 11 миллионов лет назад, хотя химический состав воска в то же время указывал на преобладание более древнего типа трав.
Исследование, опубликованное в 2023 году, показало, что травы локально были широко распространены в Восточной Африке уже 18 миллионов лет назад. При этом ландшафт оставался мозаичным: наряду с травянистыми участками там сохранялись леса.
Следующий этап произошел значительно позже.
Новые, C4-травы, начали заметно распространяться после 11 миллионов лет назад. Исследование побережья, проведенное в 2019 году, имело недостаточно образцов, чтобы подробно проследить последующие изменения. Новая работа позволила восстановить этот процесс гораздо детальнее.
Оказалось, что распространение происходило неравномерно.
"Примерно с 9,3 до 8,4 миллиона лет назад C4-травы начали быстро увеличивать свое присутствие. Затем, примерно на миллион лет, рост практически остановился. После этого распространение снова ускорилось и продолжалось до конца миоцена. Самый быстрый этап пришелся на период между 7,4 и 6,4 миллиона лет назад", - поделились выводами исследователи.
Таким образом, переход к современному типу травянистых экосистем нельзя описать как плавный и постоянный процесс. Он проходил волнами, с периодами ускорения и практически полного затишья.
Причем похожие изменения происходили в разных частях планеты примерно в одно и то же время.
C4-травы начали доминировать в Непале около 7,5 миллиона лет назад, затем, примерно, 7,4 миллиона лет назад — в бассейне Инда, а около 6,9 миллиона лет назад — в Бенгальских конусах выноса. В Аргентине подобный переход произошел, примерно, 6,7 миллиона лет назад, на Великих равнинах Северной Америки — около 6,4 миллиона лет назад, а на Китайском Лёссовом плато — примерно, 6,1 миллиона лет назад.
Когда похожая трансформация происходит сразу на нескольких континентах, объяснить ее исключительно местными погодными условиями становится сложно.
Австралия в этом отношении выглядит исключением. Там распространение подобных трав началось значительно позже — примерно, 3,5 миллиона лет назад.
По времени глобальный переход совпадает с периодом общего похолодания планеты, продолжавшимся, приблизительно, от 7 до 5,3 миллиона лет назад. В этот период температура поверхности морей снижалась по всему миру.
Однако один только климат не способен полностью объяснить, почему саванна сохраняется открытой.
Сегодня хорошо известно, что во многих районах Африки без регулярных пожаров и воздействия крупных травоядных лесная растительность могла бы постепенно захватывать территории, которые сейчас выглядят как открытая саванна.
Данные нового исследования показывают, что огонь и крупные животные начали играть заметную роль в этой системе еще до широкого распространения современных C4-трав.
Следы сгоревших фрагментов трав обнаружены в отложениях среднего миоцена в районе дельты Нигера. При этом там же отмечалось большое количество пыльцы трав.
Параллельно с этим разнообразие колючих деревьев и кустарников увеличивалось примерно в тот же период, когда происходило разнообразие африканских быков — семейства, к которому относятся антилопы.
Позднее стали разнообразнее подземные древесные структуры, позволяющие кустарникам восстанавливаться после пожаров. Позже усилилось и пастбищное питание крупных животных.
После 10 миллионов лет назад все больше крупных восточноафриканских млекопитающих переходили на питание C4-травами. Среди них были родственники современных лошадей, носороги и представители бычьих.
"Получается, что разные группы животных и растений могли влиять на разные этапы формирования саванны. Животные, питавшиеся листьями и побегами, становились разнообразнее вместе с первым расширением открытых пространств. Растения, приспособленные к пожарам, — вместе со вторым этапом преобразования экосистемы", - предположили ученые.
При этом окончательного ответа на вопрос, что именно запустило первоначальное открытие африканского ландшафта, у ученых пока нет.
Одна из возможных причин — изменение концентрации углекислого газа. Однако реконструкции содержания CO₂ в древней атмосфере расходятся настолько сильно, что исследователи пока не могут уверенно определить его роль.
Еще сложнее обстоит ситуация с осадками. Климатические модели, как правило, показывают постепенное высыхание Северной Африки. Но некоторые данные из древних осадочных пород, напротив, указывают на более влажные условия.
Еще один независимый климатический показатель, основанный на содержании водорода в тех же растительных восках, не обнаружил долгосрочного изменения количества осадков.
Поэтому собственное объяснение исследователей о том, что первоначальное открытие ландшафта могло быть связано с высыханием, они называют спекулятивным. В частности, пока непосредственно не проверено, стало ли распределение осадков более сезонным.
Тем не менее, история, которую постепенно складывают ученые, уже заметно отличается от привычной схемы. Саванна не возникла одномоментно и не была результатом появления современных засухоустойчивых трав.
Сначала изменился сам ландшафт. Затем на нем появились и стали распространяться другие виды трав. Позже к этому процессу подключились климат, огонь и крупные травоядные, которые помогали поддерживать открытость территории.
Этот вывод важен не только для понимания прошлого Африки. Современные саванны тоже находятся под воздействием сразу нескольких факторов, и огонь и выпас животных продолжают определять их структуру.
История миоцена показывает, что даже сравнительно небольшие изменения окружающей среды способны постепенно перестроить целую экосистему.
Это особенно актуально на фоне будущих изменений климата. По прогнозам, изменения концентрации углекислого газа и температуры могут быть сопоставимы с теми, которые происходили во время миоцена, а в некоторых сценариях — даже превзойти их.
Однако делать выводы обо всей Африке на основании одного участка побережья пока нельзя.
Изученные образцы отражают растительность только той части континента, пыль которой переносилась ветром к морю. Речь идет примерно о территории между 10 и 25 градусами северной широты.
Поэтому остается открытым вопрос: одновременно ли началось формирование открытых ландшафтов в других регионах Африки или разные части континента проходили этот путь в разное время.
Чтобы ответить на него, ученым понадобятся аналогичные записи из других широт.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Читайте по теме:
В Казахстане собрались развивать декоративные питомники
