«Сотворение Земли»

Если бы не живые существа, Земле была бы уготована унылая участь Марса. Именно разные организмы — от бактерий до цветковых растений и млекопитающих — превратили третью планету от Солнца в обитаемый мир, создали ее нынешнюю атмосферу, значительно повлияли на состав Мирового океана и каменной оболочки — литосферы. Об этом рассказывает книга Андрея Журавлева «Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир», выпущенная издательством «Альпина нон-фикшн» в 2018 году. Предлагаем читателям N + 1 познакомиться с главой из этой книги, вошедшей в длинный список премии «Просветитель» 2018 года.

Когда раскрылся железный занавес

Состав Мирового океана как водного тела тоже в значительной степени определяется наличием в воде живых существ. Например, в современных морях продолжительность пребывания атомов кремния, фосфора, углерода, азота и кальция составляет всего от 10 до 100 лет (что на порядок ниже ожидаемой продолжительности, исходя из атомной массы этих элементов и объемов их поступления в океан), тогда как атомов натрия и хлора — 50 000 лет. Обусловлена эта разница тем, что Si, P, C и Ca являются биогенными элементами и востребованы живыми существами для создания органических и неорганических (скелет) тканей. Эти элементы очень быстро изымаются из раствора, а невостребованные Na и Cl накапливаются, и морская вода приобретает вкус поваренной соли. Если бы не организмы, то состав океана регулировался бы только притоком элементов (реки, подземные воды, вулканические и гидротермальные выделения, растворение океанической коры) и их стоком (формирование эвапоритов, глубоководных сульфидов, испарение и поглощение океанической корой). Впрочем, со временем организмы смогли вмешаться даже в эти физико-химические процессы.

Углерод, как основа всех органических соединений, конечно, был востребован всегда, и, скажем, на Карельском щите нефтяные залежи появились уже 2 млрд лет назад, раскинувшись на площади более 10 000 км² и накопив 25 × 10¹³ кг углерода. Такие масштабы «нефтеобразования» свидетельствуют о высокой продуктивности палеопротерозойского океана. Понятно, что с тех пор органика обернулась почти графитом, на 98% сложенным углеродом, а особые горные породы получили название шунгитов по карельскому поселку Шуньга. Часть углерода вместе с кальцием осаждалась строматолитовыми микробными сообществами.

Железо — тоже важный биогенный элемент — в современном мире даже не успевает раствориться, смешаться с мировыми водами (продолжительность его пребывания ничтожно мала) и прямо на месте, скажем после извержения вулкана, «съедается» фитопланктоном. Пока жизнь пребывала в прокариотном состоянии, кремнезем никем еще не потреблялся, и на дне архейских и протерозойских морей осаждались неорганические кремневые слойки, исчезнувшие в фанерозойском эоне с появлением первых же организмов, начавших строить кремневый скелет. А когда организмы уже «осознали» важность железа, но еще не придавали значения кремнию, образовались необычные полосчатые железистые кварциты. Тем более что железа в океане было предостаточно: оно выносилось вместе с гидротермальными растворами в области развития срединно-океанических хребтов и поступало с суши, где пока еще разрушались в основном мафические породы.

Обилие неокисленных ионов металлов, растворенных в морской воде, препятствовало накоплению кислорода, хотя цианобактериальные сообщества поставляли его как побочный продукт фотосинтеза. Весь свободный кислород до поры до времени уходил на связывание ионов железа и ряда других металлов. Следы этого процесса не просто сохранились в недрах планеты, а кажутся сейчас природной аномалией. Время золотой аномалии пришлось на архейский эон — 3,8–2,5 млрд лет назад. Время железной аномалии наступило в конце архея — в палеопротерозое — 2,6–1,85 млрд лет назад. Именно тогда сформировались основные железорудные провинции: Курская магнитная аномалия (Украинский щит), озеро Верхнее, включая формацию Ганфлинт, и Садбери (Канадский щит), Железорудный четырехугольник (Quadrilatero ferrifero, кратон Сан-Франсиску, Бразилия), формация Хамерсли (Австралийский щит), Бушвельд (Каапвааль) — в общей сложности более половины мировых балансовых запасов (только в Курской аномалии сосредоточено свыше 55 × 10¹² кг железа). В отличие от фанерозойских руд, представляющих собой болотные и морские железные оолиты (микросферы из глинистых минералов железа) и гидротермальные сульфиды, все раннепротерозойские рудные тела, а также небольшое число архейских и позднепротерозойских — это железистые полосчатые кварциты, т. е. чередование слоев (от субмиллиметровой до метровой мощности) кварца (40–50%) и минералов железа (20–40%): магнетита (Fe₃O₄), гематита (Fe₂O₃), сидерита (FeCO₃) и некоторых других. Считалось, что все эти минералы в равной степени первичны, т. е. отлагались непосредственно в момент рудообразования, причем в глубоководных бассейнах.

Однако изучение форм нахождения железа (соотношение Fe³⁺ / ΣFe) показало, что первичны карбонаты (в том числе сидерит), поскольку океан был насыщен ионами бикарбоната (HCO₃^–), и железосодержащие глинистые минералы, а окислы (магнетит, гематит и пр.) образовались при последующем преобразовании осадочных пород — диагенезе. В свою очередь, исследования особенностей осадконакопления выявили приуроченность полосчатых руд к мелководью — там, где ощущалось влияние морских волн. (В некоторых рудных залежах даже можно сосчитать приливно-отливные циклы, как в тайдалитах.)

Формирование полосчатых железных руд происходило примерно так: в теплые сезоны, когда процветал бактериопланктон, закисное железо (Fe²⁺), поступавшее в океан из гидротермальных источников, окислялось на огромных (десятки тысяч квадратных километров) шельфах. Окисляли железо фотоавтотрофные бактерии-микроаэрофилы (они довольствуются ничтожным содержанием кислорода в среде), анаэробные бактерии, а также свободный кислород цианобактериального происхождения или, например, воздействие коротковолнового излучения. Впрочем, абиогенное фотоокисление Fe²⁺ происходит почти незаметно и очень медленно по сравнению с возможностями микроорганизмов, которые ускоряют этот процесс в 50 раз. Затем окисное железо (Fe³⁺) и / или его гидроокислы, связанные органическим веществом, осаждались на дно. В осадке благодаря окислительно-восстановительным реакциям, осуществляемым ферментирующими и Fe³⁺-восстанавливающими бактериями, высвободившиеся ионы Fe³⁺ попадали в щелочную среду, где и формировались первичные минералы железа, названные выше. Дальнейший диагенез преобразовывал эти минералы в современный ряд окислов. В холодное время года деятельность планктонного рудообразующего сообщества приостанавливалась, и на дне преимущественно оседали частицы кремнезема, поступавшего за счет выветривания суши. Растворенный кремнезем абсорбировался на поверхности Fe²-гидроокислов и оседал на дно. Там гидроокислы реагировали с органическим веществом, а кремнезем высвобождался и уходил в поровые растворы в осадке, где и образовывались кремневые прослои. И так из года в год — на протяжении тысячелетий.

Разумеется, для осуществления всей этой цепочки биохимических реакций требовалось, чтобы закисное железо, поступавшее из гидротерм, попадало в фотическую зону, на мелководье, в неокисленном виде. Из этого следует, что и вся толща океана была закисной, кроме, разве что, самых верхних метров. Подобные процессы наблюдаются в некоторых современных озерах со стратифицированной (разделенной на несмешивающиеся слои) водной толщей, например в Матано на острове Сулавеси (Индонезия). В нижнем, бескислородном слое этого озера обитают зеленые серные бактерии, которые используют Fe²⁺ в качестве донора электрона, и на дно оседают «зеленая ржавчина» — карбонатный минерал смешанного Fe²⁺ / Fe³⁺ состава — и магнетит. Изучая жизнедеятельность подобных бактерий, и удается представить мир прошлого. Однако масштабы современного рудообразования несоизмеримо меньше и ограничены пространством болот и озер.

Некоторые свидетели, а возможно, и участники рудообразования были обнаружены в кремневых слойках формации Ганфлинт (1,9 млрд лет) на Канадском щите. В 1954 г. их открыли в провинции Онтарио американский геолог Стенли Тайлер и палеоботаник Элсо Баргхурн, решившие, что нашли древнейшие споры и пыльцу. Ошибка вполне простительная, поскольку в те годы ученым были доступны лишь петрографические и бинокулярные микроскопы. Ископаемые микроорганизмы величиной в несколько десятков и сотен микрометров оказались бактериями, причем очень разнообразными: звездчатые эоастрион (Eoastrion) и какабекия (Kakabekia) напоминают современных железобактерий (например, Metallogenium из Карельских озер), а нитчатые ганфлинтия (Gunflintia) и гурониоспора (Huroniospora) — вездесущих строителей биоматов, способных поставлять свободный кислород. Благодаря окремнению и современным технологиям, включая рамановскую микроспектроскопию, масс-спектрометрию вторичных ионов, электронное 3D-сканирование, лазерную конфокальную сканирующую микроскопию и синхротронную фазово-контрастную томографию, можно не только рассмотреть древние бактерии в деталях — отличить клеточную стенку от оболочки цисты, оценить степень структурной организации органического вещества, содержание в нем углерода, азота и серы, состав углеводородов, но также выявить других членов бактериального сообщества и понять, что существовали они в бескислородной среде. Так, обугленная оболочка нитчатой ганфлинтии свидетельствует о присутствии аэробных гетеротрофов, которые сохранились в виде округлых телец, а пиритизация такой же оболочки — о существовании сульфатвосстанавливающих анаэробных гетеротрофов (возможно, серных бактерий).

Железорудная эпоха закончилась в палеопротерозойскую эру, дав название ее первому периоду — сидерский (от греч. σιδηρς — железо). А положили конец этой эпохе 1,85 млрд лет назад, видимо, тоже сульфатвосстанавливающие бактерии, способные преобразовать сульфат (SO₄^2–) в сульфид (НS^–). Океан обогатился сероводородом, активно поглощавшим железо с образованием нестойкого пирита. Исходя из распространения пирита и закисного железа, связанного в разных минералах, можно представить, что мелководье было охвачено сероводородным заражением, а глубины оставались закисными и также бескислородными. Именно сероводородная прослойка не давала кислороду проникать глубже и окислять железо. Гипотезу эвксинизации протерозойского океана в 1998 г. предложил американский геохимик Дональд Кэнфилд, взяв за основу модель современного Черного моря, где господствует сероводородное заражение. (Греки называли этот водоем «Понт Эвксинский». И поскольку Понт стал моделью моря с сульфидными водами, сероводородное заражение вошло в литературу как эвксинизация.)

Лишь с «раскрытием железного занавеса», когда большая часть железа, растворенного в верхних слоях океана, осела на дно, положив начало будущим «магнитным аномалиям», свободный кислород стал накапливаться. Конечно, в очень небольших объемах кислород образовывался в атмосфере при фотолизе паров воды под действием ультрафиолетового излучения, поскольку свободный водород улетучивался в космическое пространство, что препятствовало обратному ходу реакции. Отметим, что это явление в чистом виде не может насытить атмосферу кислородом, поскольку по достижении определенной концентрации газа формируется озоновый щит и фотолиз прекращается, а весь накопившийся кислород опять уходит на окисление органических веществ и разных металлов. Так что свободный кислород — это исключительно побочный продукт фотосинтеза. (Не исключено, что цианобактерии стали выделять этот ядовитый для многих газ, чтобы обезопасить себя от фотосинтезирующих конкурентов, способных выжить лишь в анаэробной среде.)

Собственно, фотосинтезирующие организмы совершенно не заботились о насыщении атмосферы кислородом, а просто синтезировали органическое вещество по формуле:

H2O + CO₂ + hν = CH₂O + O₂,

где hν — энергия фотона, которая используется для расщепления молекулы воды, а CH₂O — условная формула органического вещества.

Причем процесс этот более рачительный, чем фотолиз воды под действием ультрафиолетового излучения: в этом случае молекула водорода связывается с органическим веществом, а не теряется безвозвратно в космосе. И если свободного кислорода не хватает для образования озонового слоя, то фотолиз может привести к исчерпанию источника воды, что, видимо, и произошло на Марсе.

Подробнее читайте:
Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир / Андрей Журавлев. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018. — 514 с.