Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Существует загадка и посложнее. Снежная или слякотная Земля, периоды оледенения были отнюдь не первыми в истории Земли и, скорее всего, не станут последними, но три промежутка в эпоху неопротерозоя выделяются особо. Насколько нам известно, ни до, ни после них такой холод не обрушивался на Землю. В чем причина? Почему один краткий период настолько выделяется в истории планеты?

Древнейший ледниковый период, сравнительно короткий, судя по залежам тиллита в древних кратонах Южной Африки, случился примерно 2,9 млрд лет назад, в разгар архейского эона. Остается загадкой, почему льду понадобилось столько времени, чтобы снова перейти в наступление с полюсов на экватор. На заре земной истории Солнце светило гораздо слабее – в первые несколько сотен миллионов лет его излучение составляло всего 70 % от нынешнего уровня, а во время среднеархейского оледенения – около 80 %. Недостаток солнечной энергии должен был восполняться иными способами подогрева. Многие специалисты указывают в качестве главных источников на высокий процент концентрации парниковых газов – углекислого газа, метана и оранжевого углеводородного тумана. Кроме того, свою роль в изменении климата должны были сыграть тепловые потоки глубинных тектонических процессов и мощные вулканические извержения.

Как ни странно, первое глобальное оледенение могло быть отчасти вызвано слишком большим скоплением парникового газа. Если увеличивалось содержание метана в атмосфере, то в верхних слоях стратосферы соответственно увеличивалось количество больших молекул углеводорода, которые могли окутывать Землю оранжевым туманом. Если оранжевая дымка густела, то часть солнечной энергии блокировалась, что вело к охлаждению Земли.

Второй, более длительный период охлаждения климата, сопровождавшийся интенсивным образованием ледников, продолжался от 2,4 до 2,2 млрд лет назад и начался после раскалывания экваториального суперконтинента Кенорленд. Атмосферное моделирование показывает, что рост эрозии и осадочных отложений вдоль вновь образующихся береговых линий сопровождался поглощением большей части имевшегося углекислого газа. Одновременно с этим увеличение содержания кислорода в атмосфере вело к вытеснению из нее метана, одного из важнейших парниковых газов. Слабое солнечное излучение (примерно 85 % от современного уровня) оказалось недостаточным для поддержания парникового эффекта – и начался длительный период охлаждения Земли.

В последующие 1,4 млрд лет (почти треть истории Земли, включая «скучный» миллиард) не было обнаружено никаких следов оледенения. Вероятно, климат Земли в этот период находился в замечательном балансе – не слишком жарко, не слишком холодно. Частично объяснить столь долгое отсутствие существенных изменений климата можно серией отрицательных обратных связей, но точно выяснить причину трудно. Однако мы с уверенностью можем сказать, что примерно 740 млн лет назад климат Земли достиг критической точки и начался новый цикл Земля-снежок – Земля-парник.

Живые клетки оказались весьма чувствительными к экстремальным изменениям в масштабах планеты; последние 3,5 млрд лет биосфера испытала сильное воздействие меняющихся условий геосферы. Земля колебалась между жарой и холодом, и это способствовало усиленному размыванию и выветриванию берегов, что, в свою очередь, снабжало минеральным питанием прибрежные экосистемы. Одним из жизненно важных минералов, необходимых для фотосинтеза, был марганец. Так же в изобилии были молибден (необходимый для переработки азота) и железо (используемое для разнообразных обменных процессов). Но из всех химических элементов в неопротерозойских морях самым важным был фосфор. Он необходим для всех видов жизни. Фосфор помогает формировать основу генетических молекул ДНК и РНК, укрепляет клеточные мембраны и играет важнейшую роль в накоплении и передаче химической энергии от клетки к клетке.

Достоинства фосфора восхищают моего коллегу Доминика Папино, одно время бывшего научным сотрудником Геофизической лаборатории. Папино происходит из Французской Канады, что явствует из его мягкого акцента; о его увлеченности древнейшими месторождениями Земли красноречиво говорит его кабинет в Бостонском колледже, где почти все пространство занято разнообразными образцами пород. Он побывал в экспедициях в самых отдаленных уголках планеты, о чем свидетельствуют шлифованные куски строматолитов и образцы железистых кварцитов.

Папино обратил внимание на то, что в некоторых экосистемах рост микроорганизмов напрямую связан с доступным количеством фосфора. Он реконструировал картину шельфовых зон неопротерозойских морей, куда в небывалых количествах поступал этот важный для жизнедеятельности минерал. Некоторые из самых крупных отложений фосфорита – осадков, образующихся в результате отложения богатых фосфором клеток, погибавших и опустившихся на дно, – сосредоточены в интервалах времени, совпадающих с ледниково-парниковыми циклами. Папино объехал чуть ли не всю планету в поисках этих древнейших слоев фосфоритов, был в северной Канаде, Финляндии, Африке и Индии, исследуя их геологические и химические особенности.

Обогащенные фосфором, цветущие водоросли накачивали атмосферу кислородом, доведя его содержание до 15 %, что вполне пригодно для дыхания. Парадокс заключается в том, что гниющие водоросли, опускаясь на дно, активно вступали в реакцию с растворенным кислородом, превращая океанские глубины в мертвые бескислородные зоны. Таким образом, активное возрождение к жизни покрытой льдом Земли вело к расслоению океана на богатые кислородом поверхностные слои и бескислородные глубины. Доминик Папино усматривает параллели с современными прибрежными экосистемами, где мощные потоки фосфатов от стока удобрений точно так же стимулируют цветение водорослей в прибрежных зонах и образование бескислородных слоев на глубине.

Это возвращает нас к одному из главных принципов минеральной эволюции: совместной эволюции геосферы и биосферы. Минералы изменяют жизнь, жизнь изменяет минералы. Сорок лет назад, когда я изучал на старших курсах науку о Земле, биология и геология представлялись чуждыми друг другу. Грандиозный цикл образования горных пород рассматривался в абсолютном отрыве от циклов развития жизни. Когда я спрашивал своего научного руководителя, не следует ли мне включить курс биологии в число факультативных программ, он посоветовал вместо этого заняться квантовой механикой. «Биология вам никогда не пригодится», – заверил он меня.

Совет сомнительный, если учесть, что на каждой ступени эволюции Земли, от зарождения жизни и далее, органический мир воздействовал на геологию, а геология воздействовала на органику. В 2006 г. геохимик Мартин Кеннеди из Калифорнийского университета в Риверсайде опубликовал с четырьмя соавторами статью, где они рассмотрели абсолютно новый пример такой взаимозависимости, хотя и в теоретическом ключе. Их статья вышла в номере журнала Science (10 марта 2006 г.) под названием «Появление фабрики глинистых минералов». Согласно их тезисам, увеличение содержания кислорода в атмосфере от нескольких процентов до современного уровня произошло под воздействием положительной обратной связи между микроорганизмами и глинистыми минералами.