Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Живые клетки оказались весьма чувствительными к экстремальным изменениям в масштабах планеты; последние 3,5 млрд лет биосфера испытала сильное воздействие меняющихся условий геосферы. Земля колебалась между жарой и холодом, и это способствовало усиленному размыванию и выветриванию берегов, что, в свою очередь, снабжало минеральным питанием прибрежные экосистемы. Одним из жизненно важных минералов, необходимых для фотосинтеза, был марганец. Так же в изобилии были молибден (необходимый для переработки азота) и железо (используемое для разнообразных обменных процессов). Но из всех химических элементов в неопротерозойских морях самым важным был фосфор. Он необходим для всех видов жизни. Фосфор помогает формировать основу генетических молекул ДНК и РНК, укрепляет клеточные мембраны и играет важнейшую роль в накоплении и передаче химической энергии от клетки к клетке.

Достоинства фосфора восхищают моего коллегу Доминика Папино, одно время бывшего научным сотрудником Геофизической лаборатории. Папино происходит из Французской Канады, что явствует из его мягкого акцента; о его увлеченности древнейшими месторождениями Земли красноречиво говорит его кабинет в Бостонском колледже, где почти все пространство занято разнообразными образцами пород. Он побывал в экспедициях в самых отдаленных уголках планеты, о чем свидетельствуют шлифованные куски строматолитов и образцы железистых кварцитов.

Папино обратил внимание на то, что в некоторых экосистемах рост микроорганизмов напрямую связан с доступным количеством фосфора. Он реконструировал картину шельфовых зон неопротерозойских морей, куда в небывалых количествах поступал этот важный для жизнедеятельности минерал. Некоторые из самых крупных отложений фосфорита – осадков, образующихся в результате отложения богатых фосфором клеток, погибавших и опустившихся на дно, – сосредоточены в интервалах времени, совпадающих с ледниково-парниковыми циклами. Папино объехал чуть ли не всю планету в поисках этих древнейших слоев фосфоритов, был в северной Канаде, Финляндии, Африке и Индии, исследуя их геологические и химические особенности.

Обогащенные фосфором, цветущие водоросли накачивали атмосферу кислородом, доведя его содержание до 15 %, что вполне пригодно для дыхания. Парадокс заключается в том, что гниющие водоросли, опускаясь на дно, активно вступали в реакцию с растворенным кислородом, превращая океанские глубины в мертвые бескислородные зоны. Таким образом, активное возрождение к жизни покрытой льдом Земли вело к расслоению океана на богатые кислородом поверхностные слои и бескислородные глубины. Доминик Папино усматривает параллели с современными прибрежными экосистемами, где мощные потоки фосфатов от стока удобрений точно так же стимулируют цветение водорослей в прибрежных зонах и образование бескислородных слоев на глубине.

Это возвращает нас к одному из главных принципов минеральной эволюции: совместной эволюции геосферы и биосферы. Минералы изменяют жизнь, жизнь изменяет минералы. Сорок лет назад, когда я изучал на старших курсах науку о Земле, биология и геология представлялись чуждыми друг другу. Грандиозный цикл образования горных пород рассматривался в абсолютном отрыве от циклов развития жизни. Когда я спрашивал своего научного руководителя, не следует ли мне включить курс биологии в число факультативных программ, он посоветовал вместо этого заняться квантовой механикой. «Биология вам никогда не пригодится», – заверил он меня.

Совет сомнительный, если учесть, что на каждой ступени эволюции Земли, от зарождения жизни и далее, органический мир воздействовал на геологию, а геология воздействовала на органику. В 2006 г. геохимик Мартин Кеннеди из Калифорнийского университета в Риверсайде опубликовал с четырьмя соавторами статью, где они рассмотрели абсолютно новый пример такой взаимозависимости, хотя и в теоретическом ключе. Их статья вышла в номере журнала Science (10 марта 2006 г.) под названием «Появление фабрики глинистых минералов». Согласно их тезисам, увеличение содержания кислорода в атмосфере от нескольких процентов до современного уровня произошло под воздействием положительной обратной связи между микроорганизмами и глинистыми минералами.

Глина состоит главным образом из мельчайших частиц минералов, которые, пропитываясь водой, образуют густую, вязкую массу. Если вам доводилось застрять ногой или колесами машины в сырой глине, вряд ли вы это забудете. Глинистые минералы образуются преимущественно за счет выветривания, особенно сопровождающегося химическими изменениями в условиях сырой, кислотной среды позднего неопротерозоя. Кеннеди и его соавторы предположили, что стремительное послеледниковое выветривание континентальной коры способствовало образованию гораздо большего количества глинистых минералов, чем в доледниковый период. К тому же имеются свидетельства того, что колонии микроорганизмов активно развивались на побережье именно в это время, именно микроорганизмы весьма эффективно превращают твердый камень в мягкую глину.