«Кислородный холокост»

Около 2,3 млрд лет назад на нашей планете явно что-то произошло. Спустя 400 млн лет после этого (1,9 млрд лет назад) обе железистые формации (BIF и GIF) полностью исчезли, за исключением нескольких странных проявлений (рис. 14.5) во время эпизода Земли-снежка около 750–580 млн лет назад (см. главу 16). Большинство геологов считают, что в это время содержание кислорода в земной атмосфере, а возможно, и в океане наконец стало достигать значительного уровня. Это явление назвали Кислородной катастрофой – GOE[59] в профессиональной терминологии. Между тем доля кислорода даже не приближалась к нынешнему атмосферному уровню в 21 %. В океанах она увеличилась от практически нулевого уровня перед отметкой в 2,4 млрд лет назад до примерно 1 % от современного содержания океанского кислорода, и этого было достаточно, чтобы растворенное в океанах железо начало ржаветь. А, как уже говорилось, примерно 1,9 млрд лет назад доля кислорода в океанах, по мнению геологов, повысилась настолько, что этот газ начал улетучиваться в атмосферу и, возможно, вызвал первое выветривание горных пород на суше, хотя содержание его в атмосфере все равно было не слишком велико. Считается, что только в последние 500 млн лет присутствие кислорода на Земле достигло современного уровня, когда этим газом полностью насыщены океаны и атмосфера.

Откуда мы знаем, что уровень кислорода был таким низким? Лучшее подтверждение исходит от железистых кварцитов, которые могли образоваться только при ничтожно малом его количестве – таком, когда железо оставалось растворенным, а не ржавело. Есть и другие геохимические индикаторы. До момента, датируемого 1,9–1,8 млрд лет назад, в речных отложениях находились гранулы и галька из уже знакомого нам пирита, или «золота дураков», минерала, который по составу представляет собой сульфид железа (FeS2). Сегодня пирит образуется только в местах с очень низким уровнем кислорода, например, на дне стоячих водоемов или в глубоких горячих источниках и в породах земной коры вдали от атмосферы. Как только зерна пирита на поверхности выветриваются, они быстро превращаются из сульфида в оксид железа. Я собрал образцы оксида железа, которые все еще имели кристаллическую форму пирита, хотя их минералогический состав уже изменился. Когда пирит разрушается, железо высвобождается, а сера окисляется до сульфата, образуя такие минералы, как гипс (сульфат кальция, CaSO4). Неудивительно, что мы находим мало крупных месторождений гипса старше примерно 1,8 млрд лет и не обнаруживаем пиритовую гальку или пиритовый песок, датируемые более поздним временем. До момента 1,7 млрд лет назад вполне обычны песчаные гранулы, состоящие из оксида урана (настуран, или уранинит, UO2), однако после этой отметки их уже не находят. Подобно песчинкам из пирита и растворенному железу, они нестабильны в атмосфере, богатой кислородом.

Кроме того, если посмотреть на летопись изотопов серы во времени, то после отметки примерно в 2,2 млрд лет назад мы не увидим действительно малых величин, связанных с низким содержанием кислорода. Изотопные значения серы в архейских породах сильно варьируют, повсеместно обнаруживая значительные флуктуации. Однако после момента 2,4 млрд лет назад картина становится очень устойчивой, потому что вместо свободного плавания в минералах типа пирита атомы серы горных пород оказываются прочно связанными в гипсе и других минералах, распространенных в мире, богатом кислородом.

Таким образом, с появлением доступного кислорода мир претерпел кардинальные изменения. Случившееся называют иногда «кислородным холокостом», потому что для форм жизни, привыкшим к бескислородным условиям, появление такой реакционноспособной молекулы, как О2, означало смерть (см. главу 13). Сегодня эти бактерии и другие микроорганизмы, приспособленные к условиям с низким содержанием кислорода, вынуждены жить в местах с минимумом этого газа – например, на дне стоячих озер и морских бассейнов вроде Черного моря. Однако до отметки в 2,3 млрд лет назад они правили планетой. Когда содержание кислорода в атмосфере возросло, среда стала для них поистине смертоносной, и они уступили мир организмам, способным выжить в новых условиях.

Возникает естественный вопрос: откуда земная атмосфера взяла свободный кислород? Ответ ясен: это результат фотосинтеза, который обеспечивали сначала синезеленые бактерии, или цианобактерии (см. главу 13), а затем и растения – когда появились эукариотические «настоящие» водоросли. Большая проблема заключается в том, что известны окаменелости цианобактерий возрастом 3,5 млрд лет (а возможно, даже 3,8 млрд лет), однако Кислородная катастрофа начинается только около 2,3–1,9 млрд лет назад. Может быть, цианобактерии производили так мало кислорода, что это не оставило следа на планете? Или цианобактерии вырабатывали много кислорода, но он в основном оказывался в породах земной коры (например, в железистых кварцитах), которые в результате окислялись, пока наконец не появилось столько кислорода, что резервуары земной коры оказались насыщены и свободный кислород начал наконец выделяться? Или 2,3 млрд лет назад – это время, когда развились те «настоящие» эукариотические водоросли с их гораздо более крупными клетками и большей выработкой кислорода. Может быть, только они могут производить этого газа столько, чтобы хватило перекрыть поглощающие возможности земной коры, в то время как гораздо более мелкие цианобактерии на это не способны. Какой бы ни была причина кислородной динамики в атмосфере, подобные рассуждения остаются пока весьма спорными и умозрительными, и единого мнения по этому вопросу не существует. Ясно только, что после отметки 1,7 млрд лет назад повсюду росли уже эукариотические водоросли, а в атмосфере содержался 1 % (а то и больше) О2, и это навсегда изменило кислородный баланс Земли.

И еще одна вещь, над которой стоит поразмыслить: без определенного количества свободного кислорода не могли бы появиться многоклеточные животные – и мы бы не обсуждали теперь этот вопрос, поскольку людей тоже не было бы. Эволюция всего живого (кроме анаэробных микроорганизмов) фактически зависит от большого количества кислорода на планете, а этого не может быть без эволюции фотосинтезирующих микроорганизмов и растений. Данное условие представляет собой серьезное ограничение для умозрительных представлений об инопланетянах и о жизни на других планетах. Да, астрономы обнаружили множество планет, похожих по параметрам на Землю, включая подходящий размер, подходящую температуру и, возможно, даже океаны жидкой воды на их поверхности. Но пока ни у кого нет доказательств наличия свободного кислорода в их атмосфере. Без него, повторю, не было бы ни многоклеточных животных, ни инопланетных существ, которых вы видите во многих научно-фантастических фильмах (и с которыми связаны все атрибуты культуры тех землян, кто верит в пришельцев и НЛО). Возможно, в глубинах коры других планет существуют аноксигенные микроорганизмы, однако без избытка свободного кислорода инопланетяне в космосе не появятся.

15. Архейские отложения и подводные оползни

Турбидиты

Отложения прошлого имеют суммарную мощность во много миль: и тем не менее все они от основания до вершины были созданы ничтожными илами.

Джон Джоли, геолог

Фрагмент головоломки