Большинство типов пород, например базальты, извергаемые вулканами срединно-океанических хребтов, или песчаники, состоящие из гранулированных остатков других пород, более или менее вечны в том смысле, что сегодня их образование продолжается на Земле точно так же, как на протяжении прошедших миллиардов лет. В отличие от них, осадочные образования с незамысловатым названием «железистые формации» накапливались лишь в определенный период времени в истории Земли и отражают революцию в химическом составе поверхности планеты, которая произошла лишь однажды, в раннем протерозое, от 2,5 до 1,8 млрд лет назад. В частности, эти самые плотные из пород свидетельствуют о радикальном изменении атмосферы – переходе от поверхностных условий без свободного кислорода (О₂) к дивному новому миру, созданному благодаря неустанному труду выделяющих кислород фотосинтетических микроорганизмов, таких как сине-зеленые водоросли, или цианобактерии (чьи современные потомки являются бичом стоячих водоемов, вызывая цветение воды и неприятный запах). Эта была третья атмосфера Земли.

Полосчатые железистые формации, чаще всего встречающиеся в Австралии, Бразилии, Финляндии и регионе Верхнего озера, – это красивые породы с яркой цветовой палитрой, где тонкие слойки серебристого гематита и черного магнетита чередуются с серым кремнем и красноватой яшмой. Мощность этих формаций может достигать сотен метров, и разрабатываются они, как правило, гигантскими открытыми карьерами. Если не принимать во внимание их металлический состав, эти железистые формации очень сходны с современными известняками по характеристикам осадконакопления, что позволяет предположить, что они откладывались и в мелководной морской обстановке. Однако в современном океане железо находится в таком дефиците, что выступает так называемым лимитирующим питательным веществом – необходимым для жизни элементом, нехватка которого сдерживает биологическую продуктивность. На этом факте даже основана одна из предлагаемых сегодня спорных схем климатического инжиниринга. Идея состоит в том, чтобы распылить в Мировом океане достаточное количество железного порошка, что активизирует процесс размножения и фотосинтеза цианобактерий, которые (если все пойдет согласно плану) будут оседать на дно океана, секвестрируя большое количество углерода и не ввергая в хаос (скрестим пальцы!) всю остальную морскую биосферу. В отличие от сегодняшней морской воды, содержащей лишь следовые количества железа, протерозойские океаны изобиловали железом, о чем свидетельствуют огромные объемы распространения железистых формаций, – представьте себе всю сталь мира, заключенную в автомобилях, самолетах, зданиях, мостах, железных дорогах и т. п.

Именно кислород, этот мятежный газ, впервые выработанный цианобактериями, изменил правила игры в отношении того, что отныне могло и не присутствовать в морской воде. В докислородном режиме железо, извергаемое из глубоководных вулканических жерл, спокойно пребывало в открытом океане в растворенном виде, перемешиваясь без видимого эффекта с натрием, кальцием и другими ионами. Но, как только кислород начал накапливаться на мелководьях, его атомы принялись охотиться за атомами железа, связывать их и тянуть на дно, создавая железистые формации. Кислород очистил океаны от железа, в буквальном смысле превращая его в ржавчину.

Этот геохимический переворот, называемый геологами Великим кислородным событием, или Кислородной катастрофой, сопровождался радикальным переписыванием атмосферно-гидросферной химической конституции. Присутствие свободного кислорода изменило характер химического взаимодействия между дождевой водой и породами на суше, что отразилось на составе рек, озер и подземных вод. Именно в это время из осадочных отложений исчезли некоторые типы галечников, распространенные в руслах рек архейского эона, в частности галька пирита и богатых ураном минералов, которые стали нестабильными или растворимыми в воде в условиях нового геохимического регламента. И наоборот, на страницах стратиграфической летописи появились новые записи в виде современных оксидных минералов – сульфатов и фосфатов, таких как гипс и апатит. Так зародившаяся жизнь изменила казавшиеся незыблемыми устои древнего минерального царства.

Присутствие свободного кислорода (О₂) на поверхности Земли также привело к формированию в стратосфере озонового (O₃) слоя, который защитил поверхностную среду от разрушительного действия солнечного ультрафиолетового излучения и значительно расширил границы зоны, доступной для обитания живых организмов. Новые альянсы между кислородом и другими элементами увеличили мобильность ранее дефицитных питательных веществ, таких как азот. Это стимулировало масштабные биологические инновации, в том числе повышение эффективности фотосинтеза, что привело к дальнейшему увеличению производства кислорода. Подобно тому как сегодня прорывные инновационные технологии создают новые рыночные возможности, на Земле были сформированы совершенно новые биогеохимические циклы – глобальные товарные биржи, на которых одноклеточные прокариотические организмы-посредники обеспечивали круговорот огромных объемов углерода, фосфора, азота и серы. В этих условиях крошечный предприимчивый прокариот (получивший позже название «митохондрия»), научился перерабатывать кислород и осуществил стратегическое симбиотическое слияние с более крупной клеткой, основав надцарство эукариот, которое в конечном итоге «населилось» растениями и животными.

Между тем с Великим кислородным событием связана важная загадка, на которую у ученых пока нет ответа: почему между появлением первых фотосинтезирующих форм жизни (3,8 млрд лет назад) и появлением свободного кислорода (около 2,5 млрд лет) прошло так много времени? Одно из возможных объяснений состоит в том, что организмы, сформировавшие строматолиты в формациях Исуа и Варравуна [древнейшие подтвержденные примеры микробной жизни. – Прим. ред.], использовали аноксигенный (без образования кислорода) фотосинтез – на первый взгляд оксюморон для тех, кто знаком с жизнедеятельностью растений. Однако эта метаболическая стратегия до сих пор используется некоторыми бактериями, прячущимися в низкокислородных убежищах, таких как заросшие водорослями стоячие водоемы. Вместо того чтобы соединять углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O) под воздействием солнечного света с образованием сахаров (CH₂O) n (где n равно 3 или более) и выделением кислорода (O₂), эти микробы производят сахара из CO₂ и сероводорода (H₂S), газа с запахом тухлых яиц, и выделяют в качестве отходов серу.

Другое объяснение может состоять в том, что микробы в строматолитах действительно производили свободный кислород, но весь его объем столь же эффективно потреблялся при их разложении. Разложение является точной противоположностью фотосинтеза – та же химическая реакция, только в обратном направлении, когда сахара и другие углеродно-водородные соединения, созданные организмами, реагируют со свободным кислородом с образованием углекислого газа и воды (ускоренный вариант этой реакции в виде сжигания углеводородов – излюбленное занятие людей). Таким образом, если фотосинтез и разложение идеально сбалансированы, чистого накопления О₂ в атмосфере происходить не будет. Но кажется маловероятным, чтобы такой баланс мог сохраняться на протяжении 1,3 млрд лет, учитывая тот факт, что по крайней мере часть органической материи захоранивалась в осадках без разложения (и в конечном итоге превращалась в те самые ископаемые углеводороды, которые мы так любим окислять).

Наконец, согласно еще одной гипотезе, на протяжении более чем миллиарда лет весь кислород, образовывавшийся в ходе фотосинтеза, тут же вступал в реакцию со склонными к окислению вулканическими газами, особенно сероводородом, которые в больших количествах извергались подводными вулканами. Затем, примерно в конце архея, вероятно, произошел переход к более современному тектоническому режиму с вулканизмом магматических дуг в зонах субдукции, при котором стали преобладать газы с меньшими восстановительными свойствами. Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста [древнейшие горные породы на Земле. – Прим. ред.] и зеленокаменные породы Исуа, через призму современной тектоники плит. Отдельные ревнители униформизма, ссылаясь на малоубедительные косвенные свидетельства на основе анализа цирконов из Джек-Хиллс, даже утверждают, что в гадее Земля выглядела точно так же, как сейчас. Однако многие другие (признаюсь, включая и меня) считают, что мы должны подавить голос Чарльза Лайеля в наших головах и допустить возможность того, что во времена архея и гадея фундаментальная тектоника Земли выглядела иначе.

Прежде всего, твердая оболочка молодой Земли была намного горячее, что делало невозможной субдукцию океанической коры в ее современном виде. К тому же, при том что архейские породы несут в себе следы столкновений и смятия поверх конвектирующей мантии, структурные особенности их деформации отличаются от тех, что характерны для современных деформированных пород на четко определенных стыках твердых плит. Более горячие и подвижные коровые плиты могли нагромождаться друг на друга и подвергаться частичному плавлению с извлечением компонентов, из которых затем происходило образование гранитной континентальной коры, в то время как нижний слой остаточной плотной породы в виде огромных капель погружался обратно в мантию, как это предполагается в модели дрип-тектоники (от англ. drip – «капля»). Но уже в толщах пород конца архейского эона мы можем распознать элементы современной архитектуры земной коры: континентальные шельфы, зоны субдукции, вулканические дуги и полноценные горные пояса, а это означает, что к тому времени Земля достаточно остыла для того, чтобы сформировать хрупкую внешнюю оболочку. Таким образом, переход от старой тектонической системы к новой вполне мог стать тем самым фактором, благодаря которому потребление кислорода начало отставать от его производства. На самом деле кажется вполне логичным, что тектоническое совершеннолетие Земли по времени совпадает с фундаментальным изменением химического состава ее поверхностной среды.

Хотя Великое кислородное событие привело к кардинальному разрушению устоявшегося геохимического порядка, с точки зрения фактического масштаба оно было не таким уж великим, как предполагает его название. Некоторые металлические элементы-примеси в полосчатых железистых формациях, такие как хром, имеют стабильные изотопы, очень чувствительные к уровню кислорода – как своего рода докембрийские канарейки* в неких вневременных угольных шахтах. Так вот, соотношения этих изотопов предполагают, что в раннем протерозое концентрация кислорода в атмосфере составляла лишь небольшую долю – менее 0,1% – от современного уровня (сейчас на кислород приходится 21% объема атмосферы). Нам, существам, живущим в фанерозое, этот мир вряд ли показался бы гостеприимным. Однако с точки зрения химических возможностей переломной является разница между отсутствием свободного кислорода и его присутствием даже в малом количестве, а не разница между «немного» и «немного больше».

*Для обнаружения в шахтах рудничного газа в качестве газоанализаторов в Британии перед Первой мировой войной начали использовать канареек. Эти птицы очень чувствительны к газам, в том числе метану и угарному газу, и гибнут даже от незначительной примеси их в воздухе. Сейчас птичек в шахты уже не берут, но детекторы угарного газа в шахтах до сих пор называют «канарейками». – Прим. ред.

---

Вас также могут заинтересовать статьи:
Вместо кембрийского взрыва был обычный салют
Цианобактерии потеют светом в тесных блинчиках
Остров Падлопинг: место, где скрывается земной примордий