Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Однако впоследствии — в результате землетрясений, штормов или давления со стороны поднявшегося Средиземного моря — земляная стена рухнула с грохотом, подобным Божьему гневу. По мнению Райана и Питмена, это был настоящий Всемирный потоп. Соленые воды хлынули в бассейн Черного моря со скоростью около 42 млн кубометров в сутки (что в 130 раз мощнее потока воды в Ниагарском водопаде). Прибрежные поселения погрузились в воды Средиземного моря. Эта катастрофа потрясла жителей античного мира. Площадь поверхности Черного моря увеличилась примерно на площадь территории современной Флориды.

После библейских времен мелкий Босфор не позволял слабоминерализованным водам Черного моря смешиваться с солеными водами Средиземного моря. Более плотный соляной раствор сконцентрировался ближе ко дну и почти не имеет контакта с воздухом. Здесь могут жить только анаэробные бактерии. В частности, тут много сульфатредуцирующих бактерий, выделяющих ядовитый сероводород. Сероводород реагирует с проникающим на глубину кислородом, так что данная экосистема сама себя поддерживает в восстановленном состоянии. Сероводород придает глубоким слоям черноморской воды запах тухлых яиц, а илу черный цвет, что и объясняет современное название этого моря. Раньше его называли Евксинским понтом — от слова «euxinic», которое использовалось для обозначения затхлой непроточной воды, лишенной кислорода и какой-либо жизни [14] По другой версии, Черное море сначала называлось Аксинским (Негостеприимным), поскольку его берега населяли дикие воинственные племена, но их сменили более миролюбивые народы, и море стало называться Евксинским (Гостеприимным). — Примеч. пер. .

Черное море — самый большой, но не единственный на планете водоем с низким содержанием кислорода. Аналогичные условия наблюдаются в норвежских фьордах, отделенных от открытого океана мелкими ледяными порогами. И даже в океане иногда возникают подобные условия. Климатические изменения могут способствовать подъему на поверхность богатых питательными веществами придонных вод. В таком случае сочетание богатой питательной среды и солнечного света благоприятствует активному развитию водорослей, что приводит к массовому, но временному росту биомассы. Когда питательные вещества заканчиваются, водоросли умирают и падают на дно. При их разложении кислород затрачивается быстрее, чем поступает с подводными течениями или диффундирует из обогащенных поверхностных слоев воды. Такие обедненные кислородом условия, в свою очередь, вызывают активный рост сульфатредуцирующих бактерий, которые расщепляют органические вещества и выделяют сероводород. Эти условия стагнации могут сохраняться несколько месяцев — пока не прекратится поступление разлагающегося органического материала. Изредка нижние слои воды могут подниматься на поверхность, выпуская в атмосферу сероводород. Например, это произошло в 1998 г. в заливе Святой Елены недалеко от Кейптауна (ЮАР), что вызвало возмущенные и несправедливые выступления населения по поводу сильного запаха канализационных стоков.

Такое стечение обстоятельств может объяснить происхождение полосатых гор. В далекий докембрийский период из-за низкого содержания кислорода в воздухе океаны должны были постоянно находиться в восстановленном состоянии. Но в поверхностных слоях воды как минимум 2,7 млрд (или даже 3,8 млрд) лет назад уже обитали фотосинтезирующие бактерии. Тогда, как и сегодня, придонные слои воды могли периодически подниматься на поверхность, принося с собой растворенные питательные вещества и железо, которые входили в контакт с фотосинтезирующими бактериями. Если это были цианобактерии, как показывают биомаркеры из Хамерсли, в качестве побочного продукта фотосинтеза они производили большое количество кислорода. В такой обогащенной кислородом воде поднявшееся со дна железо превращалось в ржавчину и вновь осаждалось на дно, формируя слои красного гематита и черного магнетита.

В таком случае чередование полос железосодержащих минералов с полосами кремневой гальки или кварца объясняется сезонными изменениями, такими как повышение скорости фотосинтеза в летний период или сезонный подъем глубинных вод. Сезонное колебание отложений железа должно было сочетаться с перманентным осаждением кремниевых пород. Сегодня такого быть не может. В современных океанах мало растворенного кремния: он экстрагируется некоторыми водорослями и низшими организмами для построения «скелета». Однако в те времена, когда миром правили бактерии, кремний так не использовался и потому наверняка накапливался в концентрации выше предела растворимости (14 — 20 ppm.). Поэтому он непрерывно осаждался, образуя толстые слои кремниевой гальки или кварца, перемежавшиеся сезонными наслоениями железных руд.

Наверное, это самая распространенная версия образования полосатых железных гор, но и она не лишена недостатков. Старейшие железные горы возрастом 3,8 млрд лет совершенно точно образовались до накопления кислорода в атмосфере. Более того, чаще всего подобные горы состоят не из чистых оксидов железа, таких как гематит, которые могли бы образоваться за счет понятных химических реакций в присутствии кислорода. Существуют другие биологические механизмы, способствующие окислению железа и не требующие присутствия свободного кислорода. Один такой механизм был описан в 1993 г. Фридрихом Уидделом и его коллегами из Института морской биологии Макса Планка в Бремене. Из берегового ила они выделили штамм пурпурной бактерии, которая может производить железную руду под действием солнечного света, но без участия свободного кислорода. Основным продуктом этой реакции является бурый, напоминающий ржавчину осадок гидроксида железа, который обычно содержится в полосатых железных горах. Уиддел утверждал, что периодический сезонный подъем придонных вод к освещенной поверхности водоемов мог стимулировать быстрое образование железосодержащих отложений под действием пурпурных бактерий. Таким образом, хотя присутствие цианобактерий и оксидов трехвалентного железа в полосатых горах указывает на присутствие кислорода в атмосфере, Уиддел с коллегами показал, что какие-то отложения железа могли стать продуктом жизнедеятельности пурпурных бактерий в бескислородной среде. Так что полосатые железные горы не позволяют на количественном уровне оценить содержание кислорода в атмосфере в тот или иной период.

Более точный метод датирования изменений концентрации кислорода был предложен ведущим специалистом в этой области Дональдом Кенфилдом из Университета Южной Дании. Он написал по этому поводу целую серию статей, опубликованных в журналах Science и Nature. Кенфилд использовал не совсем прямой путь, прибегнув к помощи сульфатредуцирующих бактерий. Его метод основан на два наблюдениях.