До и после динозавров - Журавлёв Андрей Юрьевич. Страница 7
Чтобы вовремя определить, где спасаться, бактерии вырабатывают магнетит. Поскольку для его образования требуется кислород, мы можем утверждать, что в архейских атмосфере и гидросфере его было достаточно, а магнитосфера надежно прикрывала Землю от солнечного ветра. Но если кислород вырабатывался, тогда почему так медленно совершенствовалась земная жизнь?
Теперь неокисленное железо запрятано глубоко в ядре Земли, но архейский океан изобиловал растворенным железом и марганцем и тонкой взвесью этих элементов. Неокисленные заряженные частицы железа и марганца поступали из недр Земли вместе с базальтовой лавой и в растворах, извергаемых подводными вулканами. Они также сносились с поверхности суши. Эти вещества соединялись со свободным кислородом, еле успевавшим вырабатываться фотосинтезирующими бактериями. Навеки вместе сводили кислород и металлосодержащие соединения тоже бактерии. Причем одни бактерии «ковали железо» в условиях настоящего металлургического цеха — при температуре 70 °C. Всего 10 г таких бактерий могут произвести целый килограмм магнетита. Другие бактерии окисляли железо, создавая магнетит или гематит (красный железняк) при нормальной (для нас) температуре.
Получившиеся нерастворимые хлопья железистых соединений (или просто ржавчина) ложились на дно тонкими слойками и перекрывались выносимыми с суши мельчайшими кварцевыми зернами, что отражало сезонность процесса. Они оседали там, где глубокие бескислородные воды граничат с поверхностными, обогащенными кислородом. Затвердевая, осадок превращался в полосчатые железистые кварциты. Названы эти породы так из-за тонкого (миллиметрового) переслаивания кварца и железосодержащих минералов. Огромные залежи железа накопились в обширных архейских и раннепротерозойских бассейнах, занимавших 100 тыс. и более квадратных километров. Курская магнитная аномалия мощностью в несколько сотен метров и другие крупнейшие месторождения железа в значительной степени являются плодом бактериальной деятельности. Так будущие поколения животных получили исходный материал для производства танков, базук, колючей проволоки и прочих предметов первой необходимости в нашем мире.
В одном из таких местонахождений (Ганфлинт в Канаде), которому 2 млрд лет, прозрачные кварцевые слойки запечатлели странные звездчатые микроокаменелости — эоастрион ( греч.«ранняя звездочка».) Эоастрион очень похож на современных бактерий, образующих железные и марганцевые окислы.
Поскольку кислород уходил на окисление железа (а также марганца и некоторых других металлов), его содержание в воздушной и водной средах долго оставалось неизменно низким. Только с выводом из круговорота основных масс неокисленного железа и марганца уровень кислорода стал повышаться. Это произошло примерно 2,7 млрд лет назад.
Итак, сразу после тяжелых ковровых метеоритных бомбардировок, отгремевших 4,0–3,8 млрд. лет назад, в условиях непрекращавшихся бурных извержений вулканов, горячих источников, которые исторгали всяческие газы (углекислый, гелий, водород и метан), и высоких давлений Земля наполнилась жизнью. Бактериальные сообщества заселили мелководные океаны (архейские океаны могли на два-три километра быть мельче современных), окружавшие небольшие праматерики. Соленость и другие химические особенности вод к концу архея, видимо, не отличались от нынешних. Все живые клетки накапливают ионы калия и освобождаются от ионов натрия. Так, в морских водах со временем стал преобладать этот металл. Магнитосфера уже существовала, защищая Землю от солнечного ветра. Продолжительность суток была короче (около 15 часов), а средняя высота прилива была выше (примерно в полтора раза, поскольку Луна обращалась ближе к Земле). Среднеземные температуры не сильно отличались от нынешних, поскольку более низкая светимость молодого Солнца уравновешивалась высоким содержанием в атмосфере метана (совершенно незначительного для современной атмосферы) и водяного пара, создававших теплоизолирующую оболочку.
В конце архея (2,9–2,7 млрд лет назад) благодаря способности бактериальных сообществ выделять свободный кислород как побочный продукт своей жизнедеятельности уровень содержания этого газа в атмосфере повысился. Это событие повлекло за собой появление озона и образование озонового щита. Щит предохранил Землю от чрезмерного солнечного излучения и обеспечил распространение жизни в прибрежные мелководья, поверхностные воды открытого океана и, возможно, на сушу. В истории Земли практически не было времени, когда бы живые организмы не оказывали определяющего влияния на развитие воздушной, жидкой и твердой ее оболочек.
Глава II
Очень краткое повествование о земной жизни в течение двух миллиардов протерозойских лет
(2500 — 605 млн лет назад)
Морозильная камера
В самом конце архея (2,7 млрд лет назад) на Земле началось оледенение. Среди явлений, влияющих на земную температуру, выделяется так называемый парниковый эффект.
«Парниковый эффект» можно описать как эффект, который возникает в дачном парнике, если обильно поливать помидоры. Испаряясь, молекулы воды поглощают солнечное излучение, проходящее сквозь чисто вымытые стекла. Водяной пар нагревается, и температура в замкнутом помещении повышается.
Кроме водяного пара к парниковым газам относятся метан и углекислый газ. Метан окисляется кислородом. Как только большая часть железа ушла в осадок, содержание кислорода в атмосфере повысилось и метановый утеплитель был разрушен. Конечно, все было не так просто. Сульфатвосстанавливающие бактерии начали успешно соперничать с метанообразователями за водород, отвоевав его существенную долю. Содержание метана стало понижаться, а кислорода — повышаться, и потихоньку произошел полный атмосферный переворот. А до этого — сплошной холодный органический туман стелился в прибрежных низинах.
Об этом свидетельствует резкий сдвиг в изотопной летописи углерода в сторону более положительных значений, который приходится на слои возрастом 2,7 млрд лет. В органических породах, образовавшихся до этого времени, содержится исключительно много легкого изотопа углерода. Значит, метанокисляющие эубактерии «ни в чем себе не отказывали». Источником метана для них служила атмосфера. Но к началу протерозоя (2,5 млрд лет назад) он иссяк.
Одновременно деятельность бактериальных сообществ вела к росту материков за счет добавления слоев осадочных пород — в основном известковых строматолитов и железистых кварцитов. Как раз в конце архея земная кора приросла на треть. Почти вся Африка, Северная Америка, Сибирь, Индия, Северный Китай и восточная часть Европы образовались в то время. С увеличением площади материков расширялась и площадь суши.
Тут и подключился второй важный фактор, от которого зависит температура планеты, — альбедо. По-латыни «альбус» означает «белый». Белый цвет, как известно, хорошо отражает солнечные лучи. Альбедо — это доля солнечной энергии, падающей на планету, которая отражается в пространство. Альбедо «светлой» суши выше, чем у более темных океанов. Если бы суши сейчас не существовало, альбедо всей поверхности Земли оказалось бы на 6 % ниже и на планете было бы теплее.
В конце архея был пройден критический рубеж, когда суша расширилась настолько, чтобы повлиять на земное альбедо. Причем рост суши не только повышал долю солнечной энергии. На выветривание (разрушение) кремнеземсодержащих минералов расходовался другой парниковый газ (углекислый). Тогда же кислорода стало достаточно, чтобы разложить почти весь атмосферный метан. Все это вместе и возвестило начало первой ледниковой эры. Белоснежный покров усилил альбедо еще больше.
Конечно, жителю страны, где зима составляет большую часть года, трудно представить, что в похолоданиях и оледенениях есть хоть что-то хорошее. Меж тем нахлобученные на земные полюса ледниковые шапки охлаждали океанические воды в высоких широтах. Более плотные холодные воды опускались вниз, и океан перемешивался. Нисходящие течения несли в глубины кислород, а восходящие поднимали к поверхности соединения азота, фосфора, железа и некоторых других элементов, необходимых для роста организма. В результате такого обмена толща океана становилась все более пригодной для жизни.