Африканская саванна существовала на миллионы лет раньше, чем предполагалось

Фото из открытых источников

Древние океанические отложения показывают, что открытые травянистые равнины Африки начали формироваться на миллионы лет раньше, чем считалось ранее, задолго до того, как их вытеснили современные злаки. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Африканская саванна — один из самых узнаваемых ландшафтов на планете: открытые травянистые поля, несколько деревьев с плоскими верхушками, стада диких животных, бродящих по ней. Обычно считается, что это началось около 10 миллионов лет назад, когда злаки, питающиеся засухоустойчивым типом фотосинтеза, распространились по тропикам.

Но эта почва была открыта задолго до появления этих трав. Исследовательская группа, изучая иловые отложения у северо-западного побережья Африки, определила возраст этого образования примерно в 15 миллионов лет. Трава, которая там тогда росла, была совершенно другого вида, и в субтропической Африке сейчас ничего подобного нет.

Анна Шартман из Калифорнийского университета в Санта-Крузе работала вместе со своим научным руководителем Пратигьей Полиссар и с Кэролайн Стрёмберг в музее Берка в Сиэтле. Исследователи воссоздали древний ландшафт Африки по растительному материалу, который ветер принес к морю.

Каждый лист покрыт восковым слоем, замедляющим потерю влаги. Ветер поднимает пыль с северо-запада Африки и уносит этот воск над Атлантическим океаном. Там он оседает в иле и остается там. На плато и хребте Кабо-Верде, примерно в 500 км от берега, с конца олигоцена до конца миоцена непрерывно накапливались грязевые отложения.

Шартман работала с двумя кернами, взятыми в этом районе, отбирая пробы каждые 100 000 лет в середине этого периода и взяв еще около 40 проб из второго керна для перекрестной проверки. Все данные были получены в рамках Международной программы океанографических исследований. Из проведенных ею измерений 158 образцов оказались достаточно чистыми, чтобы их можно было идентифицировать как наземные растения, что составляет около 96% от всей выборки.

Молекулы воска имеют различную длину. Деревья и кустарники производят в основном короткие молекулы, а травы и низкорослые лиственные растения — более длинные. Команда проверила это, сравнив с 967 измерениями воска, полученными из современных африканских растений.

Примерно от 16 до 14 миллионов лет назад состав веществ изменился. Длинные молекулы стали встречаться гораздо чаще, чем короткие, что и происходит, когда травы распространяются по территории, которую раньше покрывали деревья и кустарники.

Примерно 15 миллионов лет назад каждая партия образцов заметно отличалась от более древних. Ландшафт уже никогда не возвращался к прежнему состоянию. В период с 16,9 по 14,7 миллионов лет назад Земля пережила самый теплый миоценовый период. Затем произошло резкое похолодание и засуха, и травы распространились быстрее всего именно в этот период.

Ранее исследовательские группы, работавшие на этом побережье, датировали травянистые ландшафты региона примерно 10 миллионами лет назад. Современные травянистые ландшафты опережают эту дату на пять миллионов лет.

Второе измерение тех же молекул позволяет различить два вида растений. Травы в жарких, засушливых местах часто используют разновидность фотосинтеза, называемую C4, которая концентрирует углекислый газ перед его фиксацией.

Практически все остальные методы используют более старый способ, и оба метода оставляют углеродные следы, достаточно удаленные друг от друга, чтобы можно было определить состав смеси в любом образце ила.

На протяжении всего среднего миоцена эта характерная черта остается довольно древней. Травы, появившиеся на северо-западе Африки, совсем не были засухоустойчивыми, и сейчас ни в одной низменной части субтропиков не произрастает такое сочетание.  Это меняет последовательность. Леса и рощи были заменены лугами, а луга позже были заменены другими лугами. 

Новый тип фотосинтеза не открыл Африку. Он появился на уже освоенных территориях.Другие регионы соответствуют этому описанию. Пыльца трав в Восточной Африке достигает 40% от общего количества примерно 11 миллионов лет назад, в то время как воск там до сих пор выглядит как более древний тип.

Исследование 2023 года показало, что травы, распространенные в этом районе уже 18 миллионов лет назад, встречались здесь на фрагментарном ландшафте, где еще сохранился лес.

Более молодые травы начали распространяться после 11 миллионов лет назад. Исследование этого побережья, проведенное в 2019 году, имело слишком мало образцов, чтобы показать, что произошло дальше. Этого же исследования достаточно.

Они быстро распространились примерно с 9,3 до 8,4 миллионов лет назад, а затем практически не распространялись в течение следующего миллиона лет. Рост возобновился до конца миоцена, причем самый быстрый период наблюдался между 7,4 и 6,4 миллионами лет назад.

В других регионах луга претерпели изменения в тот же период. В Непале злаки с С4-фотосинтезом вытеснили растения примерно 7,5 миллионов лет назад, затем на равнинах Инда и Бенгалии — 7,4 и 6,9 миллионов лет назад соответственно. За ней следуют Аргентина с показателем 6,7, Великие равнины Северной Америки с 6,4 и Лессовое плато Китая с 6,1.

Смена климатических условий на стольких континентах одновременно трудно объяснить с помощью региональных особенностей погоды. Австралия является исключением, и её травы появились примерно 3,5 миллиона лет назад. Все это совпадает с периодом глобального похолодания от 7 до 5,3 миллионов лет назад, когда температура поверхности моря во всем мире снизилась.

Одних только климатических изменений недостаточно для сохранения саванны в первозданном виде. На большей части Африки леса росли бы там, где сейчас находится саванна, если бы пожары и крупные травоядные животные не трогали эти места.

Команда Шартман обнаружила признаки того, что оба метода работали задолго до появления новых видов травы. Фрагменты обгоревшей травы обнаруживаются в отложениях среднего миоцена из дельты Нигера рядом с большим количеством пыльцы трав. Колючие деревья и кустарники диверсифицировались одновременно с африканскими быками, семейством антилоп, в тот же период.

Позже диверсификацию получили подземные древесные структуры, позволяющие кустарнику восстанавливаться после пожара. То же самое произошло и с выпасом скота: после 10 миллионов лет назад все больше крупных млекопитающих Восточной Африки перешли на питание травами с фотосинтезом C4, в том числе родственники лошадей, носороги и быки. Наряду с первым открытием разнообразились виды растений, питающихся листьями и ветками. Наряду со вторым открытием разнообразились и растения, приспособленные к огню.

Почему ландшафт стал открытым, а затем его место заняли новые травы – на этот вопрос авторы ответить не могут. Реконструкции содержания углекислого газа в прошлом настолько противоречивы, что его роль остается неясной.

Количество осадков увеличилось. Климатические модели, как правило, показывают устойчивое высыхание Северной Африки, в то время как некоторые данные осадочных пород указывают на увеличение количества осадков. Отдельный анализ, основанный на содержании водорода в тех же молекулах воска, не выявил долгосрочных изменений в количестве осадков.

Шартман и ее коллеги называют свое объяснение, основанное на засухе, умозрительным. Вопрос о том, стали ли осадки более сезонными, никогда не проверялся напрямую в этом регионе.

Огонь и выпас скота по-прежнему формируют африканскую саванну, а данные миоценового периода свидетельствуют о том, что относительно небольшие изменения могут реорганизовать всю систему.

Согласно прогнозам, будущие изменения концентрации углекислого газа и температуры будут соответствовать или превышать изменения, наблюдавшиеся в миоцене. Эти образцы фиксируют пыль из одной полосы континента, примерно от 10 до 25 градусов северной широты. Вопрос о том, открылась ли остальная часть Африки одновременно, нельзя решить на основе данных с одного побережья.

Группа исследователей призвала изучить данные, полученные на других широтах, чтобы проследить эту закономерность по всей Африке.