Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
К счастью, моя коллега Мэрилин Фогель, эксперт по изотопам углерода в Геофизической лаборатории Института Карнеги, согласилась помочь. Мэрилин осмотрела образец и подсказала мне, что делать: разбить кусок породы и истолочь его в порошок, поместить по несколько микрограммов порошка в маленькие чашечки из оловянной фольги, взвесить образцы и свернуть каждую чашечку в миниатюрный шарик размером с дробинку. Эти образцы и образцы эталонного изотопа углерода были затем по очереди помещены в печь, в которой любые соединения углерода испаряются в газообразный диоксид углерода. Газ поступает в высокочувствительный масс-спектрометр, где разделяется на изотопы углерода-12 и углерода-13. Чтобы получить убедительные данные, понадобилось всего несколько часов.
Нора надеялась на коэффициент между 25 и 35, типичный для бактериальных матов. Но компьютер выдал совершенно иной результат. Изотопный коэффициент оказался равным нулю, т. е. величине, не имеющей ничего общего с биологией. Это характерно для неорганического углерода, который в жидком виде поднимается из мантии и откладывается в виде тонких прожилок черного графита. Общий итог: черные следы в образцах Ноффке действительно содержали углерод, но, безусловно, имели небиологическое происхождение.
Памятуя об этом наглядном уроке, мы немедленно принялись за анализ других черных следов в большом количестве образцов многообещающих древних отложений, привезенных Норой из самых разных точек – из Южной Африки, Австралии, Гренландии. Время от времени мы получали коэффициент изотопов углерода на уровне 30, соответствующем бактериальным матам, и нашли другие доказательства того, что более 3 млрд лет назад на нашей планете бактерии водились во множестве вблизи песчаных берегов. И в отличие от мелких черных следов или вкраплений биомолекул находки Ноффе можно увидеть непосредственно, в масштабе целых обнажений. Ее данные можно было, как говорится, потрогать рукой.
Но остается главный вопрос: производили ли микроорганизмы из этих матов кислород или они использовали солнечный свет для более простой фотохимии? Бактерии развивались с использованием различных способов потребления солнечной энергии, и не все из этих способов сопровождались выделением кислорода. Ответ на вопрос, как обеспечивали свою жизнедеятельность организмы из бактериальных матов давностью 3 млрд лет, могут дать только будущие исследования.
Минералогический взрыв
Великое кислородное событие многими признается как важная часть истории Земли. Более 2,5 млрд лет назад атмосфера Земли содержала весьма мало кислорода. С ростом численности бактерий, имеющих фотосинтетический аппарат, и накоплением вырабатываемого ими кислорода между 2,4 и 2,2 млрд лет назад произошло резкое увеличение содержания кислорода в атмосфере – более 1 % от современного уровня. Это необратимое изменение преобразовало приповерхностную среду планеты и проложило дорогу к еще более серьезным переменам.
Как уже говорилось, эти перемены привлекли пристальное внимание многих исследователей. Вот и мы с моим давним коллегой Дмитрием Сверженским попали в их число, выступив с поразительной, хотя и несколько парадоксальной, гипотезой: большинство минералов на Земле порождены живым веществом. В течение многих веков подразумевалось как само собой разумеющееся, что мир минералов существует независимо от живой материи. Наша идея «минеральной эволюции», в отличие от традиционного взгляда, подчеркивает взаимозависимость между развитием геосферы и биосферы. Мы считаем, что добрых две трети из приблизительно 4500 известных видов минералов никак не могли образоваться до Великого кислородного события, а большинство минералов вообще не могло появиться на безжизненной планете. С этой точки зрения такие полудрагоценные минералы, как бирюза, темно-синий лазурит и бриллиантовый зеленый малахит, являются несомненными продуктами живой материи.
Причины такой взаимозависимости минералов и живой материи очевидны. Эти прекрасные минералы наряду со многими другими сформировались в подповерхностных слоях коры в результате взаимодействия насыщенной кислородом воды и древних пород. Грунтовые воды растворяют, переносят, меняют химический состав и модифицируют горные породы до высоты несколько тысяч метров. В ходе этих изменений происходят новые химические реакции, в результате которых и формируются новые формы полезных ископаемых. Мы со Сверженским составили обширный каталог минералов, порожденных таким путем из меди, урана, железа, марганца, никеля, ртути, молибдена и многих других элементов. До увеличения объема кислорода на Земле такие минералообразующие реакции просто не смогли бы состояться.
«Как насчет красной планеты Марс? – спрашивают нас коллеги. – Не является ли пораженная ржавчиной поверхность соседней с нами планеты свидетельством того, что Марс тоже подвергся насыщению кислородом и обрел разнообразие минералов, подобное земному?» – «Нет», – отвечаем мы. Кардинальное различие состоит в том, что Марс и предположительно другие малые планеты вроде него не испытывали динамичной циркуляции насыщенных кислородом грунтовых вод, которая и обусловила минеральное разнообразие на нашей планете. Может быть, на Марсе и существуют запасы грунтовых вод, что подтверждается современными исследованиями, но вода находится в замороженном состоянии. Единственной причиной красного цвета поверхности Марса является массированная потеря приповерхностного водорода (а вместе с ним и большой части запасов воды). То небольшое количество кислорода, которое образовалось в результате потери водорода, окисляет тонкий слой поверхности Марса, но глубоко в недра коры проникнуть не может.
Наш подход к минералогическому прошлому Земли усиливает некоторые предыдущие воззрения. В 2007 г. в журнале Science, в статье под вызывающим названием «Дуновение кислорода до Великого кислородного события?» геохимик Ариэль Анбар с коллегами представил педантичное описание следовых элементов, обнаруженных в черных сланцах, возрастом 2,5 млрд лет, в горе Мак-Рей в Западной Австралии. Эти тонкослоистые осадки, отложившиеся в прибрежной зоне древнего океана, поначалу выглядят монотонными, но тщательный анализ открывает в них химические сюрпризы. Особенно любопытно то, что девятиметровой толщины слой возле вершины весьма богат молибденом и рением – химическими элементами, которые редко встречаются в осадочных породах, если они не подвергаются окислению. В виде окислов молибден и рений быстро вымываются из материнской вулканической породы и по рекам попадают в океан, где могут включиться в черный сланец на его дне.
Никто не оспаривает тот факт, что обогащение осадочных пород молибденом и рением свидетельствует об эрозии, происходившей 2,5 млрд лет назад. Молибденит, самая частая форма молибдена (к тому же нередко включающая рений), отличается исключительной мягкостью и легко выкрашивается. Возможно, гранит с вкраплениями молибденита составлял склон какой-нибудь древней горы. Возможно, в результате механического выветривания микроскопические кусочки молибденита смывало водой и уносило на дно океана, где они оседали в черном илистом грунте – осадки, которым предстояло накапливаться и затвердевать, превратившись в сланцы горы Мак-Рей.
Анбар и его коллеги пришли к другому выводу: они предположили, что все это произошло в результате «дуновения кислорода», выработанного первыми клетками, способными к фотосинтезу. Возможно, местное скопление слизистых зеленых клеток сформировало микросреду, в которой оказалось достаточно кислорода, чтобы обеспечить перемещение молибдена и рения. В конце концов, у нас имеется достаточно оснований, чтобы считать несомненным увеличение объема кислорода по всей планете 2,4 млрд лет назад, так почему бы не допустить, что местами такое событие могло произойти и на 100 млн лет раньше?
Мы со Сверженским возражаем на это: молибден, рений и другие элементы могли перемещаться по многим причинам и без участия кислорода. Самые обычные содержащиеся в атмосфере молекулы серы, азота или углерода не менее успешно могут отбирать электроны и в отсутствие кислорода. Такова уж природа научных дискуссий, что любые идеи и доводы встречаются с альтернативными гипотезами и контраргументами.
Независимо от точного подсчета времени распространения кислорода, когда Земле исполнилось 2,5 млрд лет, ее поверхность снова изменилась. Первые заметные изменения сказались на почве, когда она подверглась коррозии. Активизированные участием кислорода процессы выветривания начали разрушать железосодержащие граниты и базальты, превращая их в ржаво-красную почву. Земля старела и постепенно меняла свою черно-серую окраску на ярко-красный цвет ржавчины. Два миллиарда лет назад из космоса материки на нашей планете – безусловно, уступавшие по размерам нынешней суше – должно быть, отчасти напоминали современную красную поверхность Марса, но картина дополнялась голубыми океанами и завитками белых облаков, что создавало живописные контрасты.
