Давайте перенесёмся в мир, которым была Земля за 2 миллиарда лет до того, как появились люди. В то время в атмосфере почти не было кислорода, условия для нас были похожими на прогулку по Марсу. Как и исчезающая атмосфера Марса, атмосфера Земли изменялась на протяжении тысячелетий – только в противоположном направлении. Вместо того, чтобы потеряться в пространстве безжизненным каменистым мирком, Земля получила кислород – совершенно неожиданно, с точки зрения жизни планеты.
Ученые сузили сроки этого внезапного скачка, известного как Кислородная катастрофа (или Кислородная революция), датируя его приблизительно 2.3-2.4 миллиарда лет назад. Но сложная часть определения реальных величин заключается в том, что газы, содержащие полезные сведения, не остаются на месте, ожидая, когда их будут измерять. Вместо этого геологи изучают то, что они могут: древние скалы, способные дать информацию о воздухе, в котором они сформировались. Поиск древних свидетельств этого таинственного события, превратившего Землю в наполненную жизнью планету, которую мы знаем сегодня, иногда может быть сложным, и зачастую ведёт ученых искать глубоко под землей.
Именно это произошло недавно, когда команда ученых опустилась на глубину около 2 км в землю на окраине Онежского озера, на западе России, недалеко от границы с Финляндией. Там они обнаружили чудесно сохранившиеся соли возрастом 2 миллиарда лет и не похожие на ту соль, которую вы добавляете в борщ. Открытие было удивительным само по себе, так как, как вы, вероятно, знаете, если вы добавите соль в кастрюлю с кипящей водой, она легко растворится в ней. Однако каким-то чудом этот образец, сформировавшийся, когда испарялось древнее море, оставался неизменным в результате каких-то геологических процессов, которые произошли после его захоронения.
Но керн длиной 300 метров и шириной около шести сантиметров стал ещё одним сюрпризом: в нём содержались сульфаты или минералы, содержащие серу – этот желтый элемент, пахнущий протухшими яйцами, – которые образуются только в очень окисленных средах. Группа ученых из различных университетов в США, Норвегии, Шотландии, Эстонии, Великобритании и России проанализировала эти минералы и химические соли и опубликовала свои результаты 22 марта в журнале Science. Используя компьютерные модели, чтобы воссоздать древнюю среду, исследователи смогли выявить некоторые детали о доисторическом океане, в котором сформировались эти образцы, включая то, насколько они были окислены.
В пресс-релизе Принстонского университета Айво Лепланд, старший автор исследования из Геологической службы Норвегии и Таллиннского технологического университета, рассказал о своих выводах как о «неоспоримых свидетельствах того, что вода в древних морях имела довольно высокие концентрации сульфатов, достигающие по крайней мере, 30 процентов современного океанического сульфата, как показывают наши оценки». Наличие сульфатов означает, что должно было быть огромное количество кислорода, – но откуда взялся весь этот кислород?
Что-то радикальное, должно быть, изменилось за короткий срок (по геологическим меркам) в 300 миллионов лет. «Вместо ручейка этот кислородный взрыв был больше похож на полноводную реку», – так выразилась Клара Блеттлер, докторант из Принстона и ведущий автор исследования.
Предыдущие ученые заметили возможную биологическую связь с событием Кислородной катастрофы: изменение газов, связанных с поддержанием жизни, наблюдаемое в сохранившихся слоях древних океанических организмов. Названые цианобактериями или микробными матами, они являются первыми свидетельствами фотосинтеза на Земле, а дыхание их было противоположно нашему; они стали поглощать углекислый газ из воздуха и высвобождать кислород, который начал занимать своё место. Но существуют некоторые проблемы с гипотезой, что микробы являются единственным источником кислорода, в том числе то, что переход к фотосинтезу произошел за несколько сотен миллионов лет до Кислородной революции. Достаточно ли этого для того, чтобы объяснить, что Блеттлер и ее коллеги нашли?
Подобно тому, как со временем жизнь на нашей планете эволюционирует, Земля также меняется, начиная с происхождения ее тектонических плит до их движений, что, в свою очередь, может изменить количество кислорода в атмосфере.
Тектонические плиты уникальны для нашей планеты, по крайней мере в нашей солнечной системе; они приводят к формированию континентов, на которых мы живем сегодня. Подобно кусочкам головоломки поверхности Земли, плиты натыкаются друг на друга, некоторые скользят под другими до глубины, где температура достаточно высока, чтобы расплавить их в процессе, называемом субдукцией. Расплавленные породы поднимаются, как в лавовой лампе, с образованием вулканов на поверхности. Эти вулканы могут вытолкнуть газы в атмосферу.
Например, в газете Nature Geoscience в прошлом году ученые из Университета Райса писали, что высокие температуры могут отделить молекулы углерода и кислорода в телах умерших микроорганизмов и опуститься на дно океана в виде осадков на подстилающей плите. Это разделение могло бы отправить углерод еще глубже в Землю на миллионы или миллиарды лет и вытеснить кислород из вулканов. Может ли это быть источником Кислородной катастрофы?
В другом недавнем исследовании ученые из Австралии и США отметили еще одну связь между тектоникой и биологией, проанализировав содержание другого элемента – фосфора, который обеспечивается вулканизмом и необходим для фотосинтеза. Это, по мнению авторов, связывает биологическую эволюцию с геологической, а другие химические элементы поддерживают идею о том, что тектоника плит могла вызвать фотосинтез во время «Кислородного бума».
Возможно, эта планета и жизнь, которая на ней зародилась, работали вместе, чтобы сделать ее пригодной для обитания сложных организмов, включая нас. Микробы сначала вырабатывали кислород, но геологические процессы, вероятно, спровоцировали внезапный всплеск этого газа, наблюдаемого при образовании сульфатов, что, в свою очередь, способствовало росту фотосинтетической жизни.
Насколько мы знаем, тектоника плит и жизнь уникальны для Земли. Многие размышляют о симбиозе между двумя, геологией и биологией, работающими в тандеме. Этот соленый, но невероятно приятный сюрприз из России, более чем на миллиард лет старше любой другой соли, является еще одним шагом на пути к тому, чтобы помочь геологам понять, что делает планету пригодной для жизни. Это также шаг к пониманию нашей собственной истории и цепочки причин и следствий, ведущих к возникновению человека. Следующий вдох, который вы сделаете, может содержать кислород, впервые появившийся в воздухе почти 2 миллиарда лет назад, над морем, богатым сульфатами.