История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
Передвинемся вперед на миллиард лет: водоросли продолжали производить кислород, который начал постепенно распространяться по океанам; 600 млн лет назад вода в океанах по всему земному шару уже была сверху донизу насыщена кислородом. То, что происходило между этими датами, – загадка «скучного» миллиарда – носит название промежуточного океана.
В 1998 г. геолог Дональд Кэнфилд из Университета Южной Дании предположил, что не кислород, а именно сера играла решающую роль в промежуточном океане. (С тех пор многие ученые именуют серонасыщенный мезопротерозойский океан не иначе как Океан Кенфилда.) Его наводящая на размышления статья под названием «Новая модель химического состава протерозойского океана» была опубликована в журнале Nature 3 декабря 1998 г. (после целого года задержки, вызванной сопротивлением рецензентов)
Его основная мысль проста. Великое кислородное событие породило достаточное количество кислорода, чтобы повлиять на распространение многих элементов, «чувствительных к окислительно-восстановительным процессам», включая железо, но этого количества было недостаточно, чтобы окислить океан. С другой стороны, растущая эрозия и окисление почвы наполнили океан сульфатами. Вследствие этого промежуточный океан оказался насыщенным серой, испытывая в то же время нехватку кислорода и железа, и в таком состоянии просуществовал на протяжении миллиарда лет.
Ожидание
Ископаемая летопись возродила гипотезу о постоянном медленном изменении промежуточного океана. Некоторые породы, сформировавшиеся между вторым и первым миллиардами лет назад, содержат микроскопические окаменелости непревзойденного качества. Ганфлинтское месторождение кремнистого сланца в Северной Америке возрастом 1,9 млрд лет, Гаоюжуаньская формация на севере Китая (1,4–1,5 млрд лет) и Авзянская формация на Урале в России (1,2 млрд лет) содержат микроскопические ископаемые остатки микроорганизмов, настолько ясные и отчетливые, некоторые даже в процессе деления, что они выглядят точь-в-точь как современные живые экземпляры. Однако такая замечательная сохранность окаменелостей свидетельствует лишь о стабильности условий, а не о принципиально ином характере этого периода в истории Земли.
Длительное существование бескислородного, сернистого промежуточного океана стало одновременно неблагоприятным и благоприятным условием для развития жизни. Благоприятным был приток сульфатов – прекрасный источник энергии для некоторых видов микроорганизмов: их жизненный цикл держался на превращении сульфатов в сульфиды. Информация, полученная при исследовании окаменелостей, включая характерные молекулярные биомаркеры, данные изотопов серы и некоторых хорошо сохранившихся микроорганизмов в кремнистом известняке – все указывает на то, что в мезопротерозойскую эпоху процветала прибрежная популяция зеленых и пурпурных бактерий. Микроорганизмы, живущие за счет серы, существующие и теперь в бескислородной среде, производят органические серные соединения с отвратительным запахом – похожим на запах сточных вод.
– Мезопротерозой был самым вонючим периодом в истории Земли, – шутит Линда Ках.
– В какой период он был вонючим? – спрашиваю я.
– По-моему, с начала до конца, – отвечает она.
Неблагоприятным обстоятельством для развития жизни была зависимость от азота. Газообразный азот (N2) составляет 80 % современной атмосферы. Проблема состоит в том, что биохимическая природа живого вещества не принимает газообразный азот; живая материя потребляет его в восстановленной форме, т. е. в виде аммиака (NH3). Поэтому живая клетка выработала весьма полезный белок, фермент под названием нитрогеназа, способный превращать азот в аммиак. Но здесь и кроется ловушка, как убедительно объясняют в своей статье, опубликованной в журнале Science в 2002 г., Ариэль Анбар и Энди Ноул. Нитрогеназе необходим комплекс атомов, содержащих серу и металл – железо или молибден, но ни того, ни другого в промежуточном океане не было. Железо исчезло при формировании железистых кварцитов, так что выбора не было. С другой стороны, молибден растворим только в насыщенной кислородом воде, как в современных океанах. В бескислородный период промежуточного океана молибден обнаруживался лишь на мелководье, поблизости от побережья, подвергаемого воздействию атмосферы, – это и была та среда, в которой предположительно размножались микроорганизмы.
В результате вслед за основополагающей статьей Кенфилда хлынул поток публикаций, связывающих геохимию и палеонтологию мезопротерозоя – две дисциплины, представители которых еще двадцать лет назад даже не общались друг с другом. Вывод очевиден: промежуточный океан стал пристанищем микроорганизмов, но эти формы жизни могли существовать
Минеральный взрыв
Обратимся к минералогии – еще одной области науки, которая долгое время преподавалась в странной изоляции от грандиозной истории Земли, в таком же отрыве от геохимии и палеонтологии, как обе эти науки друг от друга. Объяснить это трудно, поскольку все, что нам известно о далеком прошлом Земли, получено на основе информации о минералах. Однако большинство минералогов редко обращаются к возрасту или эволюции исследуемых ими образцов. Напротив, более двух столетий минералоги занимались в основном их неизменными физическими и химическими свойствами. На протяжении всей моей жизни минералогическая литература описывала такие свойства, как твердость и цвет, химические элементы и изотопы, кристаллическую структуру и внешний вид минералов.
Я тоже когда-то твердо придерживался двухвековой традиции. Первые двадцать лет своей научной деятельности я выделял идеальные миниатюрные кристаллы обычных породообразующих минералов, подвергал их невообразимому давлению между двумя алмазными наковальнями, обрабатывал сплющенные образцы рентгеновскими лучами, а потом измерял мельчайшие изменения в их атомной структуре. Мы с коллегами игнорировали геологическое время и географическое место, поскольку не интересовались ни возрастом, ни происхождением наших микроскопических образцов. Мы называли себя минералогами-физиками и держались в компании таких внеисторических наук, как химия и физика. Не от них ли мы восприняли предвзятые мнения о геологических «сказках»?
Такой образ мыслей в минералогии коренится в ее происхождении от горного дела и химии, слегка приправленных подсознательным убеждением в том, что физика и химия являются более строгими и точными науками, чем творческие, направленные на качественные характеристики «байки» геологов. (Исследователи истории Земли часто задумываются, не это ли предубеждение лежит в основе того, что среди лауреатов Нобелевской премии много физиков и химиков, но ни одного геолога.) Поэтому мало кто из минералогов интересуется удивительными превращениями приповерхностных минералов во времени. Когда в 2008 г. мы с коллегами опубликовали коллективную статью под названием «Минеральная эволюция», наша цель заключалась в том, чтобы оспорить традиционный подход – и преобразовать минералогию в историческую науку. Наша ставка на минералогическое прошлое Земли, а также других планет Солнечной системы и планет за ее пределами основывается на том, что минеральный состав Земли эволюционирует, проходя несколько последовательных ступеней, на каждой из которых наблюдаются разнообразные изменения в составе и распределении минералов. Отсюда и повествовательный уклон этой книги, в которой планеты прогрессируют от минералогической простоты к сложности, от какой-нибудь дюжины минеральных веществ в составе газа и пыли, из которых образовалась Солнечная система, до более сорока пяти сотен разновидностей минералов, существующих на Земле в наше время, две трети из которых не смогли бы появиться в неорганическом мире.
Это была узкопрофильная статья, опубликованная в специализированном журнале American Mineralogist, который читали в основном профессионалы. Но международная пресса быстро подхватила гипотезу о том, что жизнь и минералы развивались взаимосвязанно. Журналы The Economist и Der Spiegel, Science и Nature, а также несколько научно-популярных изданий ухватились за наши научные догадки о происхождении и развитии минералогического многообразия Земли. Журнал The New Scientist даже опубликовал остроумную карикатуру, изображающую четыре стадии минеральной эволюции: от кристалла с плавниками до «развитого» кристалла с тросточкой. Никому из них не пришло в голову, что все наши выкладки носят исключительно теоретический, умозрительный характер. Действительно ли на Марсе существует только 500 разновидностей минералов? Действительно ли неорганический мир неспособен создать более 1500 разновидностей? Действительно ли потребовался живой, насыщенный кислородом мир, чтобы на Земле утроилось количество видов минералов? Мы представили эти тезисы как гипотезы; их еще предстояло доказать.