Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

В принципе, для анализа изменений концентрации атмосферного кислорода можно использовать соотношение изотопов углерода. Дело в том, что захоронение органических веществ препятствует полному окислению (за счет дыхания) соединений углерода, образующихся в процессе фотосинтеза. Поскольку фотосинтез и дыхание — противоположные процессы, в одном из которых кислород образуется, а в другом расходуется, усиление захоронения углерода приводит к накоплению свободного кислорода в атмосфере. Если точно известно, сколько углерода было захоронено в определенный момент времени, теоретически можно рассчитать, сколько кислорода осталось в воздухе. Однако на практике мы можем зафиксировать повышение концентрации кислорода только на качественном уровне (если только не знаем наверняка, что скорость удаления кислорода под действием вулканических газов и скорость эрозии почвы оставались постоянными). Более молодые горы, относящиеся к поздним геологическим эпохам, хранят подробную летопись изменений окружающей среды, и нам достаточно хорошо известны самые важные параметры, необходимые для расчета уровня кислорода в атмосфере на основании скорости захоронения углерода (мы поговорим об этом в главе 5). К сожалению, такой подход не годится для изучения событий очень древнего докембрийского периода. На этом пути возникает так много неопределенностей, что достоверно можно указать лишь направление изменений. Для более точного анализа нужны другие методы.

Одну подсказку можно найти в тех же отложения железных руд, покрывающих сланцевые слои в горах Хамерсли. Массивные осадочные породы железных руд здесь и во всем мире образуют красные или черные полосы (соответственно гематита или магнетита), чередующиеся с полосами кремневой гальки или кварца. Отдельные полосы имеют ширину от нескольких миллиметров до нескольких метров, а в целом эти образования могут достигать в высоту 600 м. Большинство из них возникло от 2,6 до 1,8 млрд лет назад, но некоторые выходы пластов сформировались в более широком временном диапазоне — от 3,8 млрд до 800 млн лет назад.

Сегодня, когда самые богатые рудные месторождения уже исчерпаны, полосатые железные горы являются главным источником низкокачественной железной руды. В соответствии с данными Американского геологического общества, мировые ресурсы железной руды все еще превышают 800 млрд тонн, и в них содержится свыше 230 млрд тонн полезного железа. Самые большие запасы железа сосредоточены в Австралии, Бразилии и Китае. Из этого количества как минимум 640 млрд тонн руды сформировалось в период от 2,6 до 1,8 млрд лет назад. Только в районе Хамерсли запасено 20 млрд тонн железной руды, содержащей 55% железа.

Мы не знаем точно, как возникли эти отложения железа и почему они полосатые. Объяснений может быть так много, а доказательств так мало, что геологи пока не готовы представить однозначную версию событий. Впрочем, существуют весьма красочные гипотезы. Например, древние суеверия гласят, что обширные отложения гематита (слово происходит из греческого языка и означает «кровавый камень») образовались из потоков крови, проливавшейся на землю во время тяжелых битв. Более наукообразное объяснение связывает полосатый рисунок гор с периодическими эпизодами вымирания популяций водорослей, уничтоженных ими же произведенным кислородом. Но ни одна из версий не выдерживает критики. Более того, у нас нет оснований утверждать, что все подобные горы сформировались одинаковым путем, тем более что многие из них появились в разное время. Но некоторые общие принципы должны быть справедливы для всех случаев, и на этом основании можно попытаться определить условия, при которых полосатые горы сформировались. Важнее всего, что после накопления кислорода в атмосфере до современного уровня такие горы больше не возникали. В присутствии кислорода железо переходит в нерастворимую форму, и это означает, что до образования полосатых гор в океане не было кислорода, а затем он появился и способствовал отложению железа. Чтобы на основании этой информации сделать какие-то выводы, нужно подробнее проанализировать химические свойства железа.

Чистое железо содержится только в ядре Земли и в метеоритах. Изделия из метеоритного железа — дорогая диковинка. Все железо в составе руд из земной коры в какой-то степени окислено, хотя, как мы увидим, окисление железа не всегда указывает на присутствие кислорода. В природе железо находится в одной из двух основных форм — в виде растворимого двухвалентного железа (Fe 2+) и более сильно окисленного нерастворимого трехвалентного железа (Fe 3+), образующего ржавчину. В присутствии кислорода растворимое двухвалентное железо окисляется, превращаясь в нерастворимую ржавчину. Нет ничего удивительного в том, что в современных, насыщенных кислородом океанах содержится мало растворенного железа, поскольку кислород отбирает у него электроны, превращая в нерастворимый осадок. Единственное исключение — плохо вентилируемое дно Красного моря, где уровень растворенного железа в 5000 раз выше обычного и где могут жить только бактерии. Вероятно, именно такие условия были в океанах докембрийского периода: в бескислородной среде растворенное железо, попадающее в воду в результате вулканической активности и эрозии, могло накапливаться в очень высокой концентрации.

Второй пример из современной жизни позволяет предположить дальнейший ход событий. Черное море — самое большое в мире пространство слабо окисленной воды, в которой можно выделить два уровня. В окисленных поверхностных водах до глубины около 200 м существует хорошо сбалансированная экосистема (при контролируемом отлове рыбы там встречается даже знаменитый осетр). Напротив, в более глубоких слоях, содержащих 87% черноморской воды, кислорода нет и нет никакой жизни (кажется, за исключением червя нематоды — единственного животного, способного осуществлять полный жизненный цикл без участия кислорода). Такая ситуация сложилась в Черном море примерно 7500 лет назад, спустя несколько тысяч лет после окончания последнего ледникового периода. Специалисты в области геологии моря Уильям Райан и Уолтер Питмен из Колумбийского университета считают, что этот эпизод в истории Земли и был назван Всемирным потопом. Таяние крупнейших ледников привело к подъему уровня моря на несколько десятков или сотен метров. Однако Черное море было отделено от других (теперь связь осуществляется через узкий пролив — Босфор), и поэтому таяние ледников изменило его глубину в меньшей степени, чем глубину соседних морей. Бассейн Черного моря остался низким, значительно ниже уровня моря (как Мертвое море сегодня), и, если можно так выразиться, сухим.