Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Этот геохимический переворот, называемый геологами Великим кислородным событием, или Кислородной катастрофой, сопровождался радикальным переписыванием атмосферно-гидросферной химической конституции. Присутствие свободного кислорода изменило характер химического взаимодействия между дождевой водой и породами на суше, что отразилось на составе рек, озер и подземных вод. Именно в это время из осадочных отложений исчезли некоторые типы галечников, распространенные в руслах рек архейского эона, в частности галька пирита и богатых ураном минералов, которые стали нестабильными или растворимыми в воде в условиях нового геохимического регламента. И наоборот, на страницах стратиграфической летописи появились новые записи в виде современных оксидных минералов — сульфатов и фосфатов, таких как гипс и апатит. Так зародившаяся жизнь изменила казавшиеся незыблемыми устои древнего минерального царства.

Присутствие свободного кислорода (О 2) на поверхности Земли также привело к формированию в стратосфере озонового (O 3) слоя, который защитил поверхностную среду от разрушительного действия солнечного ультрафиолетового излучения и значительно расширил границы зоны, доступной для обитания живых организмов. Новые альянсы между кислородом и другими элементами увеличили мобильность ранее дефицитных питательных веществ, таких как азот. Это стимулировало масштабные биологические инновации, в том числе повышение эффективности фотосинтеза, что привело к дальнейшему увеличению производства кислорода. Подобно тому как сегодня прорывные инновационные технологии создают новые рыночные возможности, на Земле были сформированы совершенно новые биогеохимические циклы — глобальные товарные биржи, на которых одноклеточные прокариотические организмы-посредники обеспечивали круговорот огромных объемов углерода, фосфора, азота и серы [70] Zerkle, A., et al., 2017. Onset of the aerobic nitrogen cycle during the Great Oxidation Event. Nature . doi:10.1038/nature20826 . В этих условиях крошечный предприимчивый прокариот (получивший позже название «митохондрия»), научился перерабатывать кислород и осуществил стратегическое симбиотическое слияние с более крупной клеткой, основав надцарство эукариот, которое в конечном итоге «населилось» растениями и животными.

Между тем с Великим кислородным событием связана важная загадка, на которую у ученых пока нет ответа: почему между появлением первых фотосинтезирующих форм жизни (3,8 млрд лет назад) и появлением свободного кислорода (около 2,5 млрд лет) прошло так много времени? Одно из возможных объяснений состоит в том, что организмы, сформировавшие строматолиты в формациях Исуа и Варравуна, использовали аноксигенный (без образования кислорода) фотосинтез — на первый взгляд оксюморон для тех, кто знаком с жизнедеятельностью растений. Однако эта метаболическая стратегия до сих пор используется некоторыми бактериями, прячущимися в низкокислородных убежищах, таких как заросшие водорослями стоячие водоемы. Вместо того чтобы соединять углекислый газ (CO 2) и воду (H 2O) под воздействием солнечного света с образованием сахаров (CH 2O) n (где n равно 3 или более) и выделением кислорода (O 2), эти микробы производят сахара из CO 2и сероводорода (H 2S), газа с запахом тухлых яиц, и выделяют в качестве отходов серу.

Другое объяснение может состоять в том, что микробы в строматолитах действительно производили свободный кислород, но весь его объем столь же эффективно потреблялся при их разложении. Разложение является точной противоположностью фотосинтеза — та же химическая реакция, только в обратном направлении, когда сахара и другие углеродно-водородные соединения, созданные организмами, реагируют со свободным кислородом с образованием углекислого газа и воды (ускоренный вариант этой реакции в виде сжигания углеводородов — излюбленное занятие людей). Таким образом, если фотосинтез и разложение идеально сбалансированы, чистого накопления О 2в атмосфере происходить не будет. Но кажется маловероятным, чтобы такой баланс мог сохраняться на протяжении 1,3 млрд лет, учитывая тот факт, что по крайней мере часть органической материи захоранивалась в осадках без разложения (и в конечном итоге превращалась в те самые ископаемые углеводороды, которые мы так любим окислять).

Наконец, согласно еще одной гипотезе, на протяжении более чем миллиарда лет весь кислород, образовывавшийся в ходе фотосинтеза, тут же вступал в реакцию со склонными к окислению вулканическими газами, особенно сероводородом, которые в больших количествах извергались подводными вулканами. Затем, примерно в конце архея, вероятно, произошел переход к более современному тектоническому режиму с вулканизмом магматических дуг в зонах субдукции, при котором стали преобладать газы с меньшими восстановительными свойствами [71] Kump, L., and Barley, M., 2007. Increased subaerial volcanism and the rise of oxygen 2.5 billion years ago. Nature , 448, 1033–1036. doi:10.1038/nature06058 . Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста и зеленокаменные породы Исуа, через призму современной тектоники плит. Отдельные ревнители униформизма, ссылаясь на малоубедительные косвенные свидетельства на основе анализа цирконов из Джек-Хиллс, даже утверждают, что в гадее Земля выглядела точно так же, как сейчас. Однако многие другие (признаюсь, включая и меня) считают, что мы должны подавить голос Чарльза Лайеля в наших головах и допустить возможность того, что во времена архея и гадея фундаментальная тектоника Земли выглядела иначе.

Прежде всего, твердая оболочка молодой Земли была намного горячее (лорд Кельвин отчасти был прав), что делало невозможной субдукцию океанической коры в ее современном виде. К тому же, при том что архейские породы несут в себе следы столкновений и смятия поверх конвектирующей мантии, структурные особенности их деформации отличаются от тех, что характерны для современных деформированных пород на четко определенных стыках твердых плит. Более горячие и подвижные коровые плиты могли нагромождаться друг на друга и подвергаться частичному плавлению с извлечением компонентов, из которых затем происходило образование гранитной континентальной коры, в то время как нижний слой остаточной плотной породы в виде огромных капель погружался обратно в мантию, как это предполагается в модели дрип-тектоники (от англ. drip — «капля» ) [72] Johnson, T., et al., 2014. Delamination and recycling of Archean crust caused by gravity instabilities. Nature Geoscience , 7, 47–52. doi:10.1038/ngeo2019 . Но уже в толщах пород конца архейского эона мы можем распознать элементы современной архитектуры земной коры: континентальные шельфы, зоны субдукции, вулканические дуги и полноценные горные пояса, а это означает, что к тому времени Земля достаточно остыла для того, чтобы сформировать хрупкую внешнюю оболочку. Таким образом, переход от старой тектонической системы к новой вполне мог стать тем самым фактором, благодаря которому потребление кислорода начало отставать от его производства. На самом деле кажется вполне логичным, что тектоническое совершеннолетие Земли по времени совпадает с фундаментальным изменением химического состава ее поверхностной среды.