Читать книгу "Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога - Маршия Бьорнеруд"

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, 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[71]. Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста 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 (лорд Кельвин отчасти был прав), 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»)[72]. 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)[73]. 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».

Миллиард лет застоя

После потрясений Кислородной катастрофы атмосфера Земли, судя по имеющимся у нас данным, вступила в длительный период геохимической стабильности. Хотя основной этап осаждения железистой формации закончился около 1,8 млрд лет назад, уровень кислорода оставался примерно постоянным, намного ниже нынешнего уровня, на протяжении еще миллиарда лет[74]. Такое устойчивое равновесие (представьте себе национальную экономику, которая на протяжении столетий не испытывает инфляции, рецессий и рыночных потрясений) указывает на удивительный баланс между производством кислорода трудолюбивыми одноклеточными фотосинтетиками и его потреблением ненасытными металлами, сернистыми вулканическими газами и разлагающейся органической материей. По мнению ученых, такая стабильность может объясняться только жесткими ограничительными условиями, например острой нехваткой фосфора — важнейшего питательного вещества для всех форм жизни.