Читая каменную летопись Земли...

Конюхов Александр Иванович

К позднему архею в результате длительных и сложных тектонических взаимодействий завершилось формирование первичной континентальной и океанической коры. Перепад рельефа на границе праматериков и океана стал довольно большим (не менее 500-1000 м), что вызвало распространение на континентальных склонах оползней. Обычным явлением стали различные гравитационные течения. Вдоль контура праматериков возникли мощные терригенные и вулканотерригенные комплексы флишевого или флишоидного строения. Некоторые из них недавно были выявлены среди метаморфических образований, обнажающихся на Канадском щите, в Фенноскандии и Южной Африке. Таким образом, уже в позднем архее сложились важнейшие элементы той тектоносферы, которые развиваются и поныне: долгоживущие ядра континентальной коры, разрастающиеся по периферии и «плавающие» среди «зыбкого моря» недолговечной океанической коры. Можно предположить, что уже в архее сложилась система литосферных плит и заработал механизм спрединга, реализующийся в срединно-океанических рифтовых зонах.

С углублением дна океана первичные

формы жизни сконцентрировались на мелководье и в придонном слое замкнутых водоемов. Здесь сохранялись благоприятные для хемосинтеза условия: из донных осадков поступали метан и другие газы, обилие же серы позволяло развиваться организмам, способным осуществлять сульфатредукцию. Другими зонами, где буйно расцветала жизнь, продолжали оставаться окрестности вулканов, поставлявших во внешнюю среду разнообразные минеральные соединения и газы. Однако вулканы располагались теперь не хаотично на поверхности Земли, как в прежние времена, а были сосредоточены в системах островных вулканических дуг, на активных континентальных окраинах, в срединно-океанических рифтах, гребни которых из-за малой глубины океана возвышались над его поверхностью. Свидетельством широкого распространения жизни в зонах перехода от континента к океану являются древнейшие из осадочных и вулканогенно-осадочных толщ, обогащенных органическим углеродом (так называемые черносланцевые формации).

Великая революция

Еще в архее случилось событие, которому было суждено со временем изменить не только состав земной атмосферы, но и облик нашей планеты. Виновником этого были мельчайшие живые существа, которые изобрели хлорофилл и родственные ему структуры. В основе фотосинтеза лежит фотохимическая реакция, сопровождающаяся поглощением и разложением углекислого газа, находящегося в воде или в воздухе, и высвобождением кислорода. Захваченный углерод используется для синтеза углеродных цепей, лежащих в основе углеводов, аминокислот, жирных кислот и других соединений. С появлением фотосинтеза любая клетка, содержащая хлорофилл, черпала из окружающей среды солнечную энергию, углекислый газ, воду, а также биогенные элементы в форме нитратов, фосфатов и ряда микроэлементов, превращаясь в крошечную фабрику по изготовлению необходимых для жизни и воспроизводства самой себя компонентов. Преимущества подобного питания перед хемосинтезом были настолько велики, что популяции микроорганизмов, способные использовать солнечную энергию, вытеснили или загнали в экологические ниши другие, нефотосинтезирующие организмы. Биологическая продукция в зонах обитания этих примитивных водорослей возросла во много раз по сравнению с тем уровнем, который был характерен для их предшественников. Со временем водоросли расселились по земному шару. Однако основным их ареалом остались мелководные зоны — эпиконтинентальные моря и прибрежные районы шельфа. В центральных же котловинах океана жизнь, видимо, была развита спорадически. Она концентрировалась вокруг выходов горячих гидротерм.

Первые фотосинтезирующие организмы, вероятно, появились еще 3,9–3,8 млрд лет назад, т. е. в раннем архее.

Об этом свидетельствует исследование древнейших из известных в настоящее время строматолитов, описанных М. Шидловски в северо-западной части Австралии (Schidlowsky, 1988]. Как отмечалось, строматолиты — это карбонатные постройки органического происхождения, формирующиеся в результате жизнедеятельности многих поколений микроорганизмов — цианобактерий. В процессе фотосинтеза они выделяют карбонат кальция, связывая избыточный диоксид углерода с ионами кальция, находящимися в морской воде, и с кислородом, который высвобождается при фотохимических реакциях, протекающих в клетке. Оказалось, что изотопный состав углерода в строматолитовых известняках архейского возраста значительно сдвинут в сторону более тяжелого изотопа ¹³С. Избирательное потребление этого изотопа низшими и высшими растениями при фотосинтезе — давно установленный факт. Вследствие этого по величине изотопного отношения углерода судят об органическом или неорганическом генезисе осадочных образований, содержащих углерод в структуре. Следовательно, утяжеленный состав углерода в архейских строматолитах указывает на то, что он отложен древнейшими микроорганизмами, способными осуществлять фотосинтез.

Открытие строматолитов с возрастом 3,8 млрд лет во многом меняет наши представления о развитии жизни на Земле. Оно свидетельствует о невероятно быстрой ее эволюции на ранней стадии существования планеты. Ведь древнейшие породы на Земле имеют возраст 4,6 млрд лет. Таким образом, спустя всего 800 млн лет уже появились относительно высокоорганизованные формы жизни. Следовательно, сама жизнь зародилась гораздо раньше, чем предполагалось до сих пор. Этот рубеж отодвигается теперь чуть ли не в предысторию планеты, о которой нам почти ничего неизвестно. Однако если жизнь зарождается чуть ли не одновременно с образованием небесного тела (планеты), то не праздными будут вопросы: не является ли она закономерным атрибутом планет земного типа, а если так, то не находились ли в составе космической пыли, сгустившейся и ставшей Землей, носители будущей жизни?

Другим фактом, который может привести к пересмотру наших взглядов на раннюю историю Земли, является обнаружение архейских эвапоритов с возрастом 3,5 млрд лет [Buick, Dunlop, 1990]. Эти древнейшие соленосные отложения недавно описаны в составе группы Уоррауома в Западной Австралии. Несмотря

на то что многие исходные минералы впоследствии заместились под влиянием гидротерм, тектонических деформаций и метаморфизма, в толще этих древних пород сохранились реликты первичных седиментационных текстур и структур. Среди них Р. Бьюик и Дж. Данлоп выделили карбонатные илы и седиментационные сульфаты. Кроме того, ими были идентифицированы сульфатные конкреции, а также диагенетические формы карбонатов и сульфатов. По мнению этих исследователей, сульфаты, представленные гипсом и баритом, формировались в небольших выемках, затоплявшихся время от времени морской водой. От открытого моря эти участки дна отделялись островами-барами, сложенными обломками пемзы. Илистые площадки прорезали небольшие русла, в которых аккумулировались кальцитовые и арагонитовые илы, в дальнейшем подвергшиеся окремнению. В периоды частичного осыхания осадка в его поровом пространстве кристаллизовались железистый доломит и гипсовые конкреции. Не правда ли, знакомая картина? Ведь речь идет о приливно-отливных площадках и себхах. Оказывается, они существовали уже в раннем архее. В разрезе той же группы Уоррауома были описаны и строматолиты. В настоящее время они, как известно, формируются на приливно-отливных равнинах в глубине мелких лагун. Следовательно, в далеком от нас архее можно было найти многие из седиментационных обстановок, характерных и для современной геологической эпохи.

Самым интригующим, однако, является другое: архейские эвапориты представлены сульфатами, в структуре которых участвует кислород. Откуда же он брался в условиях бескислородной среды? Ведь по современным воззрениям и воздух и вода были лишены свободного кислорода. Для формирования седиментационных карбонатов, ассоциированных с сульфатами, также был необходим молекулярный кислород. Не исключено, что часть карбонатных осадков возникла в результате разрушения строматолитовых построек. Однако эвапориты — это хемогенные образования, выпадающие из воды, пересыщенной по отношению к той или иной соли, в данном случае к карбонату кальция. В современных лагунах и соляных «ваннах» на побережье Красного моря и Персидского залива в засушливые сезоны первыми выпадают на дно кристаллы арагонита и гипса. То же самое, видимо, происходило и в раннем архее. Следовательно, состав морской воды уже тогда был весьма близок к современному. Главное же заключается в том, что в воде, остававшейся в архейских соляных «ваннах», находился растворенный кислород, а значит, он, скорее всего, присутствовал и в атмосфере.

Был ли этот кислород биогенным, т. е. появился ли он за счет разложения углекислого газа фотосинтезирующими организмами, или возник под действием ультрафиолетового излучения в результате диссоциации в верхних слоях атмосферы паров воды на водород и кислород? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Вероятно, имело место и то и другое. Надо учитывать, что протяженность береговой линии вокруг небольших по площади архейских континентов была невелика. К тому же, если подразумевать высокую активность тектоносферы на ранних этапах ее развития, должен был преобладать скалистый тип берегов. А с ним, как известно, связаны лишь небольшие лагуны и отдельные заливы, но не обширные приливно-отливные равнины. Таким образом, строматолитовые постройки не могли иметь глобальное распространение, а значит, деятельность фотосинтезирующих микроорганизмов в раннем архее не могла серьезно влиять на состав атмосферы. Да и само существование строматолитов, большая часть которых выступает из воды во время отлива, было бы вряд ли возможно при отсутствии хотя бы призрачного озонового экрана. Без него ультрафиолетовое солнечное излучение неминуемо уничтожило бы микроорганизмы. Озон же в верхних слоях атмосферы возникает за счет кислорода, появляющегося вследствие распада водных паров.

Все сказанное свидетельствует о том, что уже в раннеархейской атмосфере и в верхних слоях водной толщи океана мог быть свободный кислород, хотя наверняка неповсеместно и в довольно ограниченном количестве. Считается, что так называемая точка Пастера, когда содержание свободного кислорода в воздухе составило 1 % от нынешнего, была достигнута лишь 1,6–1,4 млрд лет назад [Kershaw, 1990], т. е. спустя более 2 млрд лет после появления первых строматолитовых построек. Если это так, то накопление свободного кислорода в атмосфере происходило в архее и в раннем протерозое чрезвычайно медленно. Впрочем, последнее может показаться вполне объяснимым, если учесть, что он расходовался не только на образование карбонатов и сульфатов, но и на окисление огромного количества металлов, железа и марганца прежде всего, находившихся преимущественно в закисной форме. Считается, что первичная земная кора была обогащена железом и марганцем.

Загадочным остается, однако, то обстоятельство, что при незначительной концентрации кислорода в атмосфере и подразумеваемом высоком содержании углекислого газа парниковый эффект над планетой оказался весьма неустойчивым. Дело в том, что уже в раннем протерозое на Земле произошло широкомасштабное оледенение, следы которого фиксируются в слоях с возрастом 2,3 млрд лет назад. Чем же было вызвано это, называемое гуронским, оледенение? Резким ли снижением содержания углекислого газа в раннепротерозойской атмосфере или другими причинами, способными вызвать похолодание? Так, за столкновением с крупным небесным телом или поясом астероидов могло последовать явление, близкое к эффекту «ядерной зимы». Тот же результат возможен при длительной активизации вулканических процессов с выбросом в верхние слои атмосферы огромных масс пепла и других продуктов. Сейчас мы этого не знаем.