Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 20)
Бактерии, ответственные за самые ранние окаменелости (строматолиты), были примитивными в том смысле, что являлись одноклеточными организмами без выделенного ядра и с немногочисленными внутренними структурами. Вместе с другой группой микроорганизмов, называемых археями, они были единственными живыми существами на планете на протяжении большей части первых двух миллиардов лет существовании Земли. И археи, и бактерии по-прежнему многочисленны. Чтобы увидеть их, понадобится микроскоп, но их так много, что если вы сложите их массу, то обнаружите, что они составляют значительную часть всего живого на планете.
Привычные нам растения и животные состоят из гораздо более сложных клеток, нежели клетки первых одноклеточных организмов. Основная разница в том, что у них есть выделенное ядро, в котором происходят многие жизненно важные процессы клетки. Организмы из таких клеток (включая нас) называются эукариотами. Первая однозначная фиксация эукариотических клеток в геологической летописи относится к породам протерозойского эона, но, вероятно, они возникли намного раньше. Как и свидетельства ранней жизни в гренландских породах, намеки на первых эукариотов получены не от окаменелостей, а от химических индикаторов. Биологические соединения, характерные для эукариотических клеток, обнаружены в осадочных породах, возраст которых составляет 2,7 миллиарда лет.
Эти молекулы, называемые биомаркерами, прочны и разрушаются с трудом. Поэтому, если только они не оказались в осадочных породах позднее — естественным путем или в результате загрязнения во время обработки (ученые, сделавшие это открытие, скрупулезно старались оценить и исключить эту возможность), то они являются четким сигналом того, что к концу архейского эона к археям и бактериям в океанах присоединились эукариоты.
С появлением и эволюцией жизни на первобытной Земле неразрывно связан вопрос, на что были похожи тогдашние океаны и атмосфера, и когда и как они начали изменяться в сторону своего нынешнего состояния. Самое существенное различие — содержание кислорода. Есть очень веские основания полагать, что кислород (который сейчас составляет чуть более пятой части объема атмосферы) как минимум до конца архейского эона присутствовал только в исчезающе малых количествах — вероятно, менее 0,1 % от современного уровня. Это почти половина истории Земли, и такое положение дел имеет далекие последствия.
Как узнать об уровне кислорода на ранней Земле? Информация об этом, как и многое другое в истории планеты, хранится в горных породах. Одна подсказка заключается в том, что определенные виды формаций осадочных пород, которые называются железистыми кварцитами, вполне обычны для архейских пород, но редко встречаются позднее. Самые старые осадочные породы в мире — образцы из Квебека и западной Гренландии возрастом 3,8 миллиарда лет — содержат такие отложения, однако ни сегодня, ни вообще с докембрия железистые кварциты не образуются. Чтобы понять, какое отношение это имеет к кислороду, необходимо сделать небольшой экскурс в простую химию.
Первое, что следует отметить — высокую реакционную способность кислорода. Она так велика, что химические процессы, которые шли на суше и в океанах на заре существования Земли, значительно отличались от тех, что идут сейчас, и эти различия сказывались на химических характеристиках древних осадочных пород. Хорошим примером является железо — один из наиболее распространенных элементов в земной коре; его поведение сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Если кислорода много, железо быстро вступает с ним в реакцию. Попробуйте оставить во дворе какую-нибудь железяку, и вы увидите процесс окисления железа в действии: ржавчина — это просто окисленное железо (оксид железа). Растворенный в водах океанов кислород реагирует с растворенным железом, заставляя его отлагаться: зерна осадка покрываются слоем оксида железа. Этот процесс быстро удаляет металл из современных океанов, и в результате морская вода содержит очень мало растворенного железа. Однако огромное количество железа в архейских железистых кварцитах говорит о том, что в древности морская вода содержала гораздо больше железа. Это могло происходить только в том случае, если в атмосфере и океанах в те времена было мало кислорода или его не было вовсе.
Железистые кварциты важны экономически (это основной источник железной руды), а потому их детально изучили. Руда состоит из оксидов железа, поэтому ясно, что для ее образования необходим кислород и большое количество растворенного железа. Природа отложений указывает на то, что слои окиси появлялись в результате осаждения — возможно, при участии бактерий. Химический анализ железистых кварцитов показывает, что источником железа становились подземные горячие ключи. Как и сегодня в вулканических районах, морская вода проникала по трещинам и разломам в породы морского дна, нагревалась до высоких температур и в ходе такой циркуляции вымывала железо из пород. Поскольку уровень кислорода в воде был низок, то после выхода воды на дно большая часть железа оставалась в растворе. Но если и в морской воде, и в атмосфере кислорода было мало, то как тогда железо окислялось?
Одно из предположений заключается в том, что в верхней хорошо освещаемой солнцем зоне океанов существовали скопления первых фотосинтезирующих бактерий, которые производили кислород. Когда вода с больших глубин, обогащенная железом, сталкивалась с этим кислородом, железо осаждалось. Это согласуется со свидетельствами того, что железистые кварциты сформировались на относительном мелководье, а также с недавними данными, полученными от южноафриканских пород возрастом 2,6 миллиарда лет, которые говорят о том, что вода на мелких участках была насыщена кислородом, в то время как глубины океана оставались им бедны. Хотя нет никаких однозначных доказательств наличия фотосинтезирующих бактерий в архейских океанах, сегодня существуют бактерии, которые окисляют железо в процессе собственного метаболизма, не производя при этом свободного кислорода, и, возможно, подобные организмы были посредниками при формировании железистых кварцитов.
Вне зависимости от того, как именно окислялось железо, вывод о минимальном уровне кислорода в атмосфере Земли или его отсутствии, сделанный по кварцитам, подтверждается другими свидетельствами. Один из самых убедительных аргументов — химическая сигнатура-«подпись», которую получили из мелких зерен пирита (минерала, который называют также «золотом дураков») в древних осадочных породах. Да, звучит несколько туманно, но эта история настолько поучительна, что ее имеет смысл рассказать подробнее. Она показывает, сколь сложными стали аналитические инструменты расшифровки прошлого.
В современной богатой кислородом атмосфере солнечный свет расщепляет часть молекул кислорода (O2), высвобождая отдельные атомы кислорода, которые затем объединяются с другими молекулами O2, образуя трехатомные молекулы озона (O3). Этот процесс создает озоновый слой в стратосфере, который действует как своеобразный солнцезащитный фильтр для нашей планеты, поскольку молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца. Без кислорода в атмосфере не было бы и озона, и ультрафиолетовое излучение попадало бы на поверхность. Следовательно, если какая-то характеристика поверхности Земли может численно определять количество ультрафиолета, проникшего сквозь атмосферу, то она стала бы хорошим индикатором содержания кислорода в атмосфере.
Изобретательные геохимики нашли такую характеристику: изотопы серы в пирите из океанических отложений. Как это связано с ультрафиолетовым излучением? Сера в форме газообразного диоксида серы, который выбрасывается из вулканов, в небольшом количестве входит в состав атмосферы. В геологических масштабах вулканический диоксид серы в атмосфере задерживается ненадолго: его смывает и переносит в океаны, и в конечном итоге он оказывается в отложениях. Но если он еще в атмосфере взаимодействует с ультрафиолетовым излучением большой мощности, то происходят химические реакции, которые оставляют уникальный изотопный отпечаток. Этот отпечаток сохранится даже тогда, когда сера попадает в океан и превращается в отложениях в сульфид серы — пирит. Поэтому этот минерал является четким сигналом, что ультрафиолет глубоко проникал в атмосферу. Когда геохимики провели анализ пиритов из осадочных пород, охватывающих большой диапазон возрастов, они обнаружили определенную изотопную сигнатуру практически во всех образцах старше 2,45 миллиарда лет, но не в более молодых породах.
Это открытие является максимально убедительным доказательством, что вплоть до 2,45 миллиардов лет назад Земля не имела озонового слоя, а значит, в атмосфере было мало кислорода. Неизвестно, почему именно в это время количество кислорода выросло так резко. Большинство предположений сходятся на том, что оно изменилось на несколько порядков — от почти нуля до примерно 1 процента. Это глобальное изменение назвали «кислородной катастрофой». Кислороду предстоял еще долгий путь до современного уровня, и имеющиеся данные говорят, что это увеличение прошло отнюдь не плавно и стабильно: на пути оказывались и всплески, и провалы. Однако важнейший порог был преодолен 2,45 миллиарда лет назад — примерно в конце архейского эона. С этого времени атмосфера планеты содержала кислород, пусть поначалу и немного.