Текст книги "Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты"

Глава 4
Первые два миллиарда лет

Впредыдущих главах мы уже обсудили несколько важных событий из истории Земли – например, удар, образовавший Луну, и массовое вымирание, отмечающее мел-палеогеновую границу; однако я хотел бы начать более систематическое путешествие по геологическому прошлому нашей планеты, добавляя в последующих главах более детальное обсуждение таких явлений, как землетрясения и изменения климата. Место ограничено, так что можно обсуждать только отдельные основные моменты прошлого Земли. Однако я надеюсь, что это сокращенное описание даст представление об увлекательной истории нашей планеты и о том, как она может рассказать нам о протекании процессов в ней. Я также надеюсь, что оно даст читателям понимание колоссальных масштабов геологических изменений, которые затрагивали Землю за последние 4,5 миллиарда лет.

Может показаться безответственным, что первым двум миллиардам лет истории Земли – почти половине времени ее существования – посвящается всего одна короткая глава. Знаний, которые накопили ученые об этом периоде, хватит, чтобы заполнить целые книги, но мы все еще знаем гораздо меньше, чем хотелось бы. Проблема не в недостатке усилий, а в том, что почти все породы, сформированные в первый миллиард лет, и даже многие из тех, что образовались в течение второго миллиарда лет, либо полностью разрушились, либо как минимум сильно изменились. Эрозия стерла древние хребты; столкновения между литосферными плитами заталкивают поверхностные породы вглубь планеты, нагревая, сминая и изменяя их почти до неузнаваемости. В некоторых случаях это происходило неоднократно. В результате в геологической книге возникают пробелы, которые значительно усложняют задачу чтения летописи горных пород в наиболее древних частях земной коры. Несмотря на это, мы знаем многое.

Для геологов поиск самых древних пород сродни поиску Святого Грааля. Сейчас рекорд принадлежит группе пород на восточном берегу Гудзонова залива в Канаде. Если отправиться туда коротким северным летом, бросив вызов тучам комаров, вы сможете сесть на обнажения этих серых непримечательных камней и созерцать окружающий молчаливый ландшафт – бесплодный, но красивый. Однако сами скалы отнюдь не безмолвны: постепенно они рассказывают о своей долгой истории. Это часть формации, известной геологам под названием «пояс Нуввуагиттук» (зубодробительное название из местного инуитского языка), которая датируется временем 4,28 миллиарда лет назад. Это означает, что породы образовались во время катархея – меньше, чем через 300 миллионов лет после рождения самой планеты.

Возраст самых древних известных пород постепенно увеличивается. Когда я был студентом, им было 3,6 миллиарда лет, и держать в руках кусок земной коры такой древности было настоящим чудом (и это по-прежнему так). Я помню, как один всемирно известный профессор, специализирующийся на докембрийских породах, сказал нам, что вряд ли удастся найти породы существенно старше 3,6 миллиарда лет. Он рассказывал, что более старая кора, вероятно, существует, однако она неузнаваема: геологические процессы трансформировали и плавили ее на протяжении всей долгой истории Земли. Однако методы радиоизотопного датирования совершенствовались, а геологи стали понимать, что в перекрученных и деформированных массах древних метаморфических пород могут сохраниться остатки еще более ранних пород земной коры; так что в геологической литературе стали появляться все большие числа. Сначала фрагменты метаморфизованного дна древнего океана рядом с формацией Исуа в западной Гренландии показали возраст около 3,8 миллиарда лет. Затем датировка некоторых прослоек метаморфических гнейсов на северо-западе Канады дала 3,9 миллиарда лет. Более подробные исследования тех же обнажений показали, что они на самом деле являются смесью различных пород, образовавшихся в разное время, а перемешались, возможно, при древнем столкновении литосферных плит. Самым старым частям в этой смеси оказалось чуть больше 4 миллиардов лет. А затем, в 2008 году, появилась новость о возрасте скал на восточном берегу Гудзонова залива – 4,28 миллиарда лет.

По поводу этого рекордного показателя все еще ведутся споры[29]29
  Имеются в виду метаморфические породы комплекса Нуввуагиттук. Метаморфизм сформировал эти породы 2,6 миллиардов лет назад, но он преобразовывал более древние породы, которые имеют возраст 3,75–3,8 млрд. лет, определенный по сохранившимся зернам циркона. Возраст старше 4 миллиардов лет аргументируется небольшим избытком одного из изотопов неодима, который мог сформироваться за счет одного из короткоживущих изотопов самария, закончившегося на Земле около 4 миллиардов лет назад. Даже если это так, то полученный возраст не является возрастом породы, а только одним из отголосков какого-то древнего вещества, существовавшего на Земле во время формирования породы. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Ученые, которые вели анализ, применили необычный подход: примененный ими метод датирования обычно не используется для земных пород. Поэтому некоторые геологи хотели бы получить подтверждение возраста с помощью других методов. Однако в любом случае эти данные четко говорят: даже если образцы с Гудзонова залива кристаллизовались не 4,28 миллиарда лет назад, а попозже, то результаты анализа демонстрируют, что они содержат материал-предшественник, который обладает таким возрастом. Химический анализ также показывает, что эти породы, хотя и подвергались метаморфизму, изначально были вулканическими. Таким образом, независимо от интерпретации даты этих пород, имеющиеся данные указывают, что на Земле уже как минимум 4,28 миллиарда лет назад шли корообразующие вулканические процессы.

Этот вывод подтверждают данные с другого края планеты – из Западной Австралии. Местные метаморфические докембрийские породы намного моложе тех, что обнаружились на берегу Гудзонова залива – им «всего» 3,6 миллиарда лет. Но среди них есть прослойки кварцита – метаморфической породы, состоящей в основном из минерала кварца, а также включающей редкие мелкие кристаллы циркона – минерала, который используется для уран-свинцового метода датирования. Предшественником кварцита был прибрежный песок: кристаллы циркона, как и зерна кварца – часть остаточных продуктов, которые выветрились из еще более древних пород и осели в виде песка вдоль древней береговой линии. Поскольку зерна циркона очень прочны, они сохраняют возраст пород-предшественников. Извлекать их – дело кропотливое: чтобы получить хотя бы небольшое количество зерен, приходится измельчать и просеивать массу кварцита (очень твердой породы), а затем анализировать одно зернышко за другим. Но результат того стоил. Ученые обнаружили, что некоторым кристаллам циркона из австралийских пород более 4 миллиардов лет, а возраст одного из них – 4,4 миллиарда.

Эта очень далекая дата относится к одному маленькому кристаллу, а не к целому массиву пород, как в Канаде. Однако химические характеристики такого зерна циркона указывают, что оно сформировалось в породе, похожей на гранит, который сегодня составляет большую часть континентальной коры. Это означает, что процессы образования коры шли вскоре после образования самой Земли – намного раньше, чем изначально предполагали многие геологи. Это также дает геологам дополнительный стимул (если он вообще нужен) искать места, где могли бы сохраниться более крупные фрагменты самой ранней коры планеты.

Какой была Земля в первые несколько сотен миллионов лет после своего рождения? Мы не знаем наверняка, но можем сделать некоторые разумные предположения. Возможно, покажется удивительным, но часть информации о самых первых днях истории планеты получена не от Земли, а от Луны.

В главе 2 описано чудовищное столкновение, которое выбросило массы расплавленной и испаренной породы в космос, создав диск горячего материала вокруг Земли, который слился и образовал Луну. Это столкновение также добавило материи ко все еще растущей Земле, доведя ее массу до 99 % от нынешнего уровня. Хотя камни и небольшие планетезимали продолжали бомбардировать нашу планету, с тех пор на нее не падало никаких тел, которые хотя бы приближались по размеру к тому телу размером с Марс, которое помогло создать наш спутник. Поэтому дата этого грандиозного столкновения является важным показателем для хронологии формирования Земли. В 2007 году изотопный анализ лунных пород показал время столкновения – примерно 4,5 миллиарда лет назад. Эта дата согласуется с независимыми данными с Земли, которые показывают, что наша планета приближалась к нынешнему размеру и за несколько десятков миллионов лет до этого выделила внутри железное ядро.

Как говорилось в главе 2, одним из самых первых и наиболее важных результатов изучения пород, привезенных астронавтами «Аполлонов», оказался тот факт, что вся внешняя часть древней Луны была расплавленной – буквально океаном магмы. Ученые тщательно исследовали камни из древних поднятых районов Луны, которые являются остатками коры, сформировавшейся при охлаждении и кристаллизации магматического океана: они пытались найти то, что пролило бы свет на самые ранние стадии истории нашего спутника. Однако извлечь информацию из этих пород оказалось не так просто, как могло бы показаться – хотя на Луне не идут процессы, которые нагревают и трансформируют породы земной коры, поднятые районы Луны сильно страдают от метеоритной бомбардировки. Большинство старых пород оказались разбитыми, а некоторые даже расплавленными. Однако тщательные хронологические исследования показывают, что магматический океан имел какую-то твердую кору уже 4,46 миллиарда лет назад – спустя всего 50 миллионов лет после столкновения, породившего нашу спутницу. Самый старый образец с Земли – кристалл циркона возрастом 4,4 миллиарда лет – лишь слегка моложе, и поэтому ясно, что если на Земле также был ранний магматический океан, то кора образовалась тоже к этому времени или даже раньше (см. хронологическую шкалу на рисунке 9). Здесь следует отметить, что, хотя я указываю эти даты как абсолютные числа, у каждой из них есть некая погрешность – как правило, в диапазоне от десяти до нескольких десятков миллионов лет. Это отражает тот факт, что аналитические измерения – даже если их выполнять с помощью самых сложных современных инструментов – всегда обладают некоторой небольшой неточностью. Следует подчеркнуть: небольшой. Хотя 10 миллионов лет могут показаться огромным промежутком времени, это всего лишь несколько десятых процента от возраста самих материалов.

Рисунок 9. Простая хронологическая шкала для первых двух миллиардов лет Земли, начиная с возраста старейших известных объектов Солнечной системы. Возраст указан в миллиардах лет; хотя информация указана на время написания книги, по мере новых открытий данные могут меняться.

В исследованиях самого старого тела Земли – того кристалла циркона возрастом 4,4 миллиарда лет – примечательно то, что удалось не только измерить его возраст, но и определить многие параметры химического состава. Кристалл не больше песчинки размером, однако с помощью современных инструментов, способных анализировать области размером намного меньше, чем диаметр человеческого волоса, геохимики смогли добыть информацию об условиях, которые царили на Земле 4,4 миллиарда лет назад. Главный вывод состоит в том, что на поверхности присутствовала жидкая вода. Возможно, это не выглядит слишком удивительно, если учесть повсеместное распространение океанов сегодня. Однако вспомните, что это происходило всего через 100 миллионов лет после того, как сильнейший удар вызвал крупномасштабное плавление пород. Это было начало катархея – эона, который продолжался до момента 3,8 миллиарда лет назад: тогда Землю бомбардировали космические тела, а на поверхности, вероятно, стояла высокая температура. До появления результатов изучения древних кристаллов циркона многие геологи полагали, что в ту раннюю эпоху вся вода существовала только в виде пара в атмосфере, но не в виде жидкого первобытного океана.

Это еще не всё. Самая прямая интерпретация химических характеристик этого зерна циркона показывает, что гранитоподобная порода, в которой оно сформировалось, сама по себе образовалась в результате плавления еще более древних пород с довольно сложной собственной историей: породы-предшественницы выветривались на поверхности Земли, погружались вглубь и нагревались до температуры плавления. Все это могло происходить довольно быстро по геологическим меркам: возможно, первоначальные породы были всего на несколько миллионов лет старше тех, в которых рос наш циркон. У нас нет информации о хронологии событий, влияющих на породы-предшественницы, но само их существование означает, что некоторые известные нам процессы, образующие кору (а именно – расплавление старых материалов коры с образованием гранитоподобных пород) шли уже в самом начале истории нашей планеты. Таким образом, один крошечный кристаллик циркона открыл большое окно к древней Земле. Картина, которую мы наблюдаем через это окно, сильно отличается от той, которую представляли себе геологи всего несколько лет назад.

В чем заключались основания теперь уже явно ошибочной идеи, что ранняя Земля была слишком горячей для наличия на поверхности жидкой воды – возможно, на протяжении всего катархейского эона? Особенно важными были два фактора. Первый – идея, что массивная атмосфера, изобилующая водяным паром из-за первоначальных высоких температур, окутывала нашу планету как изолирующее одеяло, предотвращающее охлаждение. Второй – то, что непрерывная бомбардировка – последняя стадия процесса аккреции (накопления массы планеты) – в течение многих сотен миллионов лет держала поверхность Земли на уровне выше точки кипения воды.

Нет сомнений, что после образования Земля была очень горячей, и что грандиозное столкновение, образовавшее Луну, расплавило часть ее внешних областей или, возможно, даже всю поверхность. Земля до сих пор остывает после этого огненного начала – факт, который мы не часто замечаем, расположившись на поверхности планеты. Но с геологической точки зрения магматический океан начал застывать достаточно быстро. Раскаленная лава, текущая по склонам вулканов, например, гавайского вулкана Килауэа, покрывается коркой почти мгновенно и – в зависимости от мощности потока – может превратиться в холодный камень за срок от нескольких дней до года-двух. Конечно, по сравнению с Килауэа магматический океан огромен, но его поверхность все равно бы затвердела и остыла довольно быстро.

Однако еще долгое время после удара, образовавшего Луну, столкновения с крупными и мелкими телами продолжали добавлять тепловую энергию на поверхность Земли, хотя этот процесс был нерегулярным и в разное время затрагивал разные части нашей планеты. Судя по исследованиям лунных пород и датировке лунных кратеров, бомбардировка, прекратилась около 3,8 миллиарда лет назад. В течение предыдущих 200 миллионов лет (в промежутке между 4 и 3,8 миллиардами лет назад) частота столкновений была крайне высокой – это явление получило название «поздней тяжелой бомбардировки». К этому времени тяготеют крупные окаймленные горами бассейны на Луне (например, легко видимое Море Дождей). По сути эти бассейны – гигантские дыры, пробитые в первоначальной лунной коре упавшими телами; позже их заполнили базальты, поднявшиеся из мантии Луны. Объекты, создавшие такие бассейны, имели диаметр в десятки километров, в то время как дождь обломков, падавших на Землю, должен быть еще сильнее (из-за ее большего ее размера и потому большего гравитационного притяжения). Хотя такие удары локально плавили бы земную кору и испаряли верхние слои океанов во всем мире, данные кристаллика циркона возрастом 4,4 миллиарда лет показывают, что всего через 150 миллионов лет после начала формирования нашей планеты она сохраняла на поверхности какое-то количество жидкой воды.

Поскольку вода является главным компонентом для жизни, наличие воды на ранних этапах существования Земли немедленно ставит вопрос: когда на планете зародилась жизнь? Самые старые окаменелости – это тонкослойные структуры, которые называются строматолитами (рисунок 10). Эти объекты могут иметь самые разные формы – от простых конусов до крупных ветвящихся колонн, и они являются преобладающим типом окаменелостей во всех осадочных породах, возраст которых превышает 600 миллионов лет. Самые старые строматолиты относятся к одной формации в Западной Австралии, возраст которой составляет чуть более 3,4 миллиарда лет.

Рисунок 10. Слева: крупным планом тонкие слои в изъеденном конусообразном строматолите из Западной Австралии возрастом 3,43 миллиарда лет. Размер показанной области – около 22 сантиметров в поперечнике. (Фото любезно предоставлено Эбигейл Оллвуд). Справа: современные частично торчащие из воды строматолитовые образования, растущие в заливе Шарк в Западной Австралии; март 2005 года. (Фото Пола Харрисона, воспроизводится в соответствии с условиями лицензии свободной документации GNU).

Удивительно, но строматолиты образуются до сих пор, хотя и в ограниченном числе мест. Тщательное изучение современных аналогов этих древних окаменелостей дало решающее представление о том, как и где они растут[30]30
  Живые сообщества называются цианобактериальными матами. Строматолиты – это минерализовавшиеся остатки их нижних слоев. – Прим. пер.


[Закрыть]. Сложные слоистые структуры состоят из тонких слоев микробов – колоний одноклеточных бактерий, включающих (по крайней мере у современных экземпляров) фотосинтезирующие цианобактерии, которые действуют как ловушки для осаждающихся зерен. В результате постепенно образуются бугры, купола или колонны. Они растут в теплых мелководных районах по берегам континентов и либо полностью находятся под водой, либо частично оказываются на поверхности во время отливов. По воле судьбы самые старые и самые молодые строматолиты в мире разделены всего несколькими сотнями километров: как и архейские экземпляры, современные строматолиты находятся в Западной Австралии, в заливе Шарк. В 1991 году этот залив был объявлен объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО, и, приехав сюда, вы сможете взглянуть на эти странные неровные объекты с удобной смотровой площадки.

Идентифицировано как минимум семь различных разновидностей ископаемых строматолитов возрастом 3,4 миллиарда лет. Распределение этих разновидностей и пород, с ними связанных, показывает, что они составляли разнообразную экосистему вдоль древней береговой линии, которая впоследствии ушла под воду из-за повышения уровня океана; при этом разные типы строматолитов занимали слегка отличающиеся экологические ниши. Это рисует картину Земли, изобилующей жизнью уже 3,4 миллиарда лет назад, причем возможно – если современные строматолиты являются надежным ориентиром – уже имелись бактерии, которые потребляли углекислый газ и производили кислород с помощью фотосинтеза. Обилие и разнообразие ранних строматолитов заставляет предположить, что жизнь возникла задолго до отметки 3,4 миллиарда лет назад – возможно, еще в катархейском эоне.

Однако от катархея окаменелостей не осталось: все намеки на то, что жизнь могла существовать ранее момента 3,4 миллиарда лет назад, являются косвенными. Самые старые на Земле осадочные породы обнаружены в области Исуа в западной Гренландии и в северном Квебеке: их возраст насчитывает 3,8 миллиарда лет. Эти породы не раз претерпевали метаморфизм, но все еще сохраняют признаки того, что осаждались в воде; в них нет узнаваемых окаменелостей, но гренландские образцы содержат графит – одну из форм чистого углерода. Изотопный анализ этого графита показывает, что такой состав характерен для биологического углерода, а это заставляет предположить, что он образовался в живых организмах. Если самые старые известные осадочные породы содержат «химические окаменелости», свидетельствующие о жизни, то вполне вероятно, что наша планета была заселена с самого начала своей истории.

Однако есть и критики. Они не ставят под сомнение изотопный анализ гренландских образцов, где углерод четко демонстрирует биологическое происхождение, но указывают, что этот графит встречается в крайне малых количествах, и что его предшественник – биологический углерод – мог появиться гораздо позже образования горных пород – возможно, во время одного из метаморфических преобразований. Но если мы согласимся с тем, что частицы графита в самом деле произведены организмами, населявшими океан 3,8 миллиарда лет назад, это не должно особенно сильно поражать. Все важные для жизни химические элементы присутствовали на Земле с самого начала, и в их распоряжении имелись сотни миллионов лет, чтобы прореагировать всеми возможными способами. В первобытном океане создавались и трансформировались различные молекулы и соединения, и когда появились те из них, которые могли самопроизвольно воспроизводить себя, эволюция форм жизни стала практически неизбежной.

Решающий шаг – способность молекулы воспроизводить себя – недавно был продемонстрирован в лабораторных экспериментах с искусственно созданными молекулами РНК (рибонуклеиновой кислоты), проведенных в научно-исследовательском институте Скриппса в Калифорнии. Эти сконструированные молекулы могут самовоспроизводиться быстро и практически бесконечно. Еще интереснее то, что разные молекулы РНК «конкурируют» друг с другом, если их объединяют в одном эксперименте: те, что воспроизводятся быстрее всего, будут наиболее «успешными» в захвате среды. Хотя молекулы в этом эксперименте самовоспроизводятся, они не могут развиваться и не являются живыми организмами. Однако их поведение дает представление о процессах, которые могли быть предвестниками возникновения жизни на Земле.

Бактерии, ответственные за самые ранние окаменелости (строматолиты), были примитивными в том смысле, что являлись одноклеточными организмами без выделенного ядра и с немногочисленными внутренними структурами. Вместе с другой группой микроорганизмов, называемых археями, они были единственными живыми существами на планете на протяжении большей части первых двух миллиардов лет существовании Земли. И археи, и бактерии по-прежнему многочисленны. Чтобы увидеть их, понадобится микроскоп, но их так много, что если вы сложите их массу, то обнаружите, что они составляют значительную часть всего живого на планете.

Привычные нам растения и животные состоят из гораздо более сложных клеток, нежели клетки первых одноклеточных организмов. Основная разница в том, что у них есть выделенное ядро, в котором происходят многие жизненно важные процессы клетки. Организмы из таких клеток (включая нас) называются эукариотами. Первая однозначная фиксация эукариотических клеток в геологической летописи относится к породам протерозойского эона, но, вероятно, они возникли намного раньше. Как и свидетельства ранней жизни в гренландских породах, намеки на первых эукариотов получены не от окаменелостей, а от химических индикаторов. Биологические соединения, характерные для эукариотических клеток, обнаружены в осадочных породах, возраст которых составляет 2,7 миллиарда лет.

Эти молекулы, называемые биомаркерами, прочны и разрушаются с трудом. Поэтому, если только они не оказались в осадочных породах позднее – естественным путем или в результате загрязнения во время обработки (ученые, сделавшие это открытие, скрупулезно старались оценить и исключить эту возможность), то они являются четким сигналом того, что к концу архейского эона к археям и бактериям в океанах присоединились эукариоты.

С появлением и эволюцией жизни на первобытной Земле неразрывно связан вопрос, на что были похожи тогдашние океаны и атмосфера, и когда и как они начали изменяться в сторону своего нынешнего состояния. Самое существенное различие – содержание кислорода. Есть очень веские основания полагать, что кислород (который сейчас составляет чуть более пятой части объема атмосферы) как минимум до конца архейского эона присутствовал только в исчезающе малых количествах – вероятно, менее 0,1 % от современного уровня. Это почти половина истории Земли, и такое положение дел имеет далекие последствия.

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 наше Солнце, имеет важные последствия для климата Земли. Это привело к так называемому «парадоксу молодого слабого Солнца»: если уровень солнечной энергии был в прошлом настолько низким, то почему в геологической летописи нет свидетельств, что планета находилась в замороженном состоянии? Ответ почти наверняка заключается в том, что температуру планеты поддерживали улавливающие тепло парниковые газы, которых в то время в атмосфере было гораздо больше, чем сегодня.