Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Как узнать об уровне кислорода на ранней Земле? Информация об этом, как и многое другое в истории планеты, хранится в горных породах. Одна подсказка заключается в том, что определенные виды формаций осадочных пород, которые называются железистыми кварцитами, вполне обычны для архейских пород, но редко встречаются позднее. Самые старые осадочные породы в мире — образцы из Квебека и западной Гренландии возрастом 3,8 миллиарда лет — содержат такие отложения, однако ни сегодня, ни вообще с докембрия железистые кварциты не образуются. Чтобы понять, какое отношение это имеет к кислороду, необходимо сделать небольшой экскурс в простую химию.

Первое, что следует отметить — высокую реакционную способность кислорода. Она так велика, что химические процессы, которые шли на суше и в океанах на заре существования Земли, значительно отличались от тех, что идут сейчас, и эти различия сказывались на химических характеристиках древних осадочных пород. Хорошим примером является железо — один из наиболее распространенных элементов в земной коре; его поведение сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Если кислорода много, железо быстро вступает с ним в реакцию. Попробуйте оставить во дворе какую-нибудь железяку, и вы увидите процесс окисления железа в действии: ржавчина — это просто окисленное железо (оксид железа). Растворенный в водах океанов кислород реагирует с растворенным железом, заставляя его отлагаться: зерна осадка покрываются слоем оксида железа. Этот процесс быстро удаляет металл из современных океанов, и в результате морская вода содержит очень мало растворенного железа. Однако огромное количество железа в архейских железистых кварцитах говорит о том, что в древности морская вода содержала гораздо больше железа. Это могло происходить только в том случае, если в атмосфере и океанах в те времена было мало кислорода или его не было вовсе.

Железистые кварциты важны экономически (это основной источник железной руды), а потому их детально изучили. Руда состоит из оксидов железа, поэтому ясно, что для ее образования необходим кислород и большое количество растворенного железа. Природа отложений указывает на то, что слои окиси появлялись в результате осаждения — возможно, при участии бактерий. Химический анализ железистых кварцитов показывает, что источником железа становились подземные горячие ключи. Как и сегодня в вулканических районах, морская вода проникала по трещинам и разломам в породы морского дна, нагревалась до высоких температур и в ходе такой циркуляции вымывала железо из пород. Поскольку уровень кислорода в воде был низок, то после выхода воды на дно большая часть железа оставалась в растворе. Но если и в морской воде, и в атмосфере кислорода было мало, то как тогда железо окислялось?

Одно из предположений заключается в том, что в верхней хорошо освещаемой солнцем зоне океанов существовали скопления первых фотосинтезирующих бактерий, которые производили кислород. Когда вода с больших глубин, обогащенная железом, сталкивалась с этим кислородом, железо осаждалось. Это согласуется со свидетельствами того, что железистые кварциты сформировались на относительном мелководье, а также с недавними данными, полученными от южноафриканских пород возрастом 2,6 миллиарда лет, которые говорят о том, что вода на мелких участках была насыщена кислородом, в то время как глубины океана оставались им бедны. Хотя нет никаких однозначных доказательств наличия фотосинтезирующих бактерий в архейских океанах, сегодня существуют бактерии, которые окисляют железо в процессе собственного метаболизма, не производя при этом свободного кислорода, и, возможно, подобные организмы были посредниками при формировании железистых кварцитов.

Вне зависимости от того, как именно окислялось железо, вывод о минимальном уровне кислорода в атмосфере Земли или его отсутствии, сделанный по кварцитам, подтверждается другими свидетельствами. Один из самых убедительных аргументов — химическая сигнатура-«подпись», которую получили из мелких зерен пирита (минерала, который называют также «золотом дураков») в древних осадочных породах. Да, звучит несколько туманно, но эта история настолько поучительна, что ее имеет смысл рассказать подробнее. Она показывает, сколь сложными стали аналитические инструменты расшифровки прошлого.

В современной богатой кислородом атмосфере солнечный свет расщепляет часть молекул кислорода (O2), высвобождая отдельные атомы кислорода, которые затем объединяются с другими молекулами O2, образуя трехатомные молекулы озона (O3). Этот процесс создает озоновый слой в стратосфере, который действует как своеобразный солнцезащитный фильтр для нашей планеты, поскольку молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца. Без кислорода в атмосфере не было бы и озона, и ультрафиолетовое излучение попадало бы на поверхность. Следовательно, если какая-то характеристика поверхности Земли может численно определять количество ультрафиолета, проникшего сквозь атмосферу, то она стала бы хорошим индикатором содержания кислорода в атмосфере.

Изобретательные геохимики нашли такую характеристику: изотопы серы в пирите из океанических отложений. Как это связано с ультрафиолетовым излучением? Сера в форме газообразного диоксида серы, который выбрасывается из вулканов, в небольшом количестве входит в состав атмосферы. В геологических масштабах вулканический диоксид серы в атмосфере задерживается ненадолго: его смывает и переносит в океаны, и в конечном итоге он оказывается в отложениях. Но если он еще в атмосфере взаимодействует с ультрафиолетовым излучением большой мощности, то происходят химические реакции, которые оставляют уникальный изотопный отпечаток. Этот отпечаток сохранится даже тогда, когда сера попадает в океан и превращается в отложениях в сульфид серы — пирит. Поэтому этот минерал является четким сигналом, что ультрафиолет глубоко проникал в атмосферу. Когда геохимики провели анализ пиритов из осадочных пород, охватывающих большой диапазон возрастов, они обнаружили определенную изотопную сигнатуру практически во всех образцах старше 2,45 миллиарда лет, но не в более молодых породах.

Это открытие является максимально убедительным доказательством, что вплоть до 2,45 миллиардов лет назад Земля не имела озонового слоя, а значит, в атмосфере было мало кислорода. Неизвестно, почему именно в это время количество кислорода выросло так резко. Большинство предположений сходятся на том, что оно изменилось на несколько порядков — от почти нуля до примерно 1 процента. Это глобальное изменение назвали «кислородной катастрофой». Кислороду предстоял еще долгий путь до современного уровня, и имеющиеся данные говорят, что это увеличение прошло отнюдь не плавно и стабильно: на пути оказывались и всплески, и провалы. Однако важнейший порог был преодолен 2,45 миллиарда лет назад — примерно в конце архейского эона. С этого времени атмосфера планеты содержала кислород, пусть поначалу и немного.

Атмосфера того времени, возможно, отличалась от современной и по другим параметрам. В начале 1970-х годов астроном и популяризатор науки Карл Саган указал, что 4,5 миллиарда лет назад тепловыделение Солнца было на 20–25 % меньше, чем сейчас, а потом постепенно увеличивалось до современного уровня. Этот вывод, основанный на хорошо известных закономерностях эволюции звезд, похожих на