Итак, кислород появился не ранее 2,4 млрд лет назад, по крайней мере, до того его было недостаточно для образования озонового слоя. А как же тогда быть с тем фактом, что в породах возрастом более 3 млрд лет найдены окаменелости синезеленых водорослей? Представляется, что водоросли развились раньше, но понадобился миллиард лет, чтобы на планете накопилось кислорода на целый озоновый слой. Долгое время нечто сдерживало распространение синезеленых водорослей, и этим нечто было железо — точнее, его малое количество.
Согласно модели Пола Фальковски и его учеников из Рутгерского университета, именно из-за малых концентраций железа синезеленые водоросли не могли с помощью кислорода быстро завоевать мир.
Синезеленые водоросли развивались в верхних слоях океанических вод, и кислород, который они вырабатывали, вступал в реакцию с железом, в результате возникали крошечные частички ржавчины, известные под названием «гематит» («кровавик»). Такое название не случайно, поскольку и минерал красного цвета (цвета крови), и наша кровь насыщены железом. Эти частицы оседали на дно, образовывая ПЖФ (см. выше «полосчатые железистые формации»). Но с уменьшением присутствия железа синезеленые водоросли не могли больше разрастаться. Таким образом, если выработка кислорода и биологическая продуктивность оказывались ниже уровня, необходимого для усиления процесса естественного окисления железа, то кислородный джинн находился в бутылке и не мог вырваться в атмосферу и воду. Но атомы железа постоянно поступали в океанскую воду за счет вулканической деятельности из разломов нашей все еще очень горячей в те времена планеты, и джинн, освободившись около 2,4 млрд лет назад, изменил наш мир. Сейчас нам известно, что планета побывала в двух основных устойчивых состояниях: одно — почти полностью бескислородное, даже несмотря на присутствие синезеленых водорослей, а второе — при наличии кислородной атмосферы, как сегодня.
Такая модель работает, только если океанская вода имеет «стратификацию», то есть поддерживает систему глубинных слоев. Океан, который постоянно перемешивается, вода с поверхности опускается ко дну, а затем снова возвращается к поверхности, будет постоянно насыщен ингредиентами для жизнедеятельности синезеленых водорослей. Их деятельность быстро перекроет геологическую «кислородную недостаточность»[82], например, у дна океана, где вулканы постоянно выбрасывают неокисленное железо по сей день. Один из путей, которым можно преодолеть систему расслоения — глобальное оледенение. Это подводит нас к обсуждению еще одного важного события ранней истории Земли, в дальнейшем повлекшего за собой бурное насыщение атмосферы кислородом, — образования «Земли-снежка».
Во времена архея и раннего протерозоя случилось несколько оледенений, предшествовавших кислородной катастрофе, включая три малых оледенения в период приблизительно 2,9–2,7 млрд лет назад. Но в период 2,45–2,35 млрд лет назад произошло кое-что намного более значительное, и это событие обусловило все изменения, необходимые для фиксирования стратификации океанских слоев, и помешало фотосинтезирующим организмам разрастись в количествах, достаточных, чтобы насытить Землю кислородом. Событие это затормозило образование озонового слоя, не говоря уже о возникновении более крупных — многоклеточных — форм жизни.
За всю историю Земли приостановка стратификации океана возникала редко — лишь когда замерзали полюса. Обычно холодная вода на полюсах погружалась ко дну, вызывая перемешивание. Кроме того, сами по себе ледники также очень хороши в деле выветривания континентальных пород, которые под воздействием льдов превращаются в пыль и возвращаются обратно в океан. А там частицы железа, азота и фосфора (все, чем мы удобряем сегодня наши цветники) кормят синезеленые водоросли, а те быстро размножаются и производят все больше кислорода.
Благодаря мировому оледенению в период 2,45–2,35 млрд лет назад сопротивление сильной стратификации океана и обогащения воды «удобрениями» впервые было сломлено. Самое раннее и самое убедительное свидетельство того, что атмосфера была насыщена кислородом, пришло из крупных марганцевых залежей в Южной Африке, датируемых возрастом 2,22 млрд лет. Такие минералы могли образоваться только при атмосфере, богатой кислородом, а значит, нам теперь наверняка известна самая ранняя дата существования мира фотосинтеза, озонового слоя и присутствия кислорода и в атмосфере, и в океане.
Первый период «Земли-снежка», название которому придумал Киршвинк[83], возможно, длился около 100 млн лет[84]. Замерзший океан, однако, не лучшее место для растений, живущих на поверхности, так что мощное насыщение кислородом не могло начаться, пока не был дан сигнал к таянию. Во времена «Земли-снежка» синезеленые водоросли выжили, вероятно, лишь в отдельных теплых источниках. Земле повезло, что она находится относительно близко от Солнца и в те времена было много активных вулканов, которые выбрасывали в атмосферу парниковые газы, что в конце концов позволило планете выйти из замороженного состояния. Иначе все было бы по-прежнему подо льдом и не было бы жидких океанов. Если бы Земля находилась хоть немного дальше от Солнца, углекислый газ превратился бы в сухой лед, жизнь на поверхности вымерла бы полностью, а возможно, вообще не появилась.
Причины оледенения представляются очевидными: возможно, 2,7 млрд лет назад появились первые фотосинтезирующие организмы, синезеленые водоросли, которые нуждались в углекислом газе, а разница температур воды в жидком и твердом состояниях была столь незначительна, что парниковый эффект пострадал из-за простого потребления углекислоты из атмосферы и воды. Иными словами, оледенение спровоцировала сама жизнь.
Земля со своей новой кислородной атмосферой была весьма странным местом, по крайней мере, для жизни и всего происходящего с ней в те далекие времена. Синезеленые водоросли продолжали выделять кислород, но не было организмов, которые бы им дышали. То есть аэробное дыхание, биохимический процесс, позволяющий нам потреблять кислород, могло развиться только после появления кислорода. А значит, между появлением в атмосфере кислорода и появлением организмов, использующих его для дыхания, был временной промежуток. На самом деле эволюция с энтузиазмом приветствовала бы любой организм, который потребляет кислород, поскольку только молекула, содержащая кислород, как никакая другая способна так ускорять биохимические процессы и высвобождать так много энергии.
Временной разрыв между развитием кислородной атмосферы и появлением организмов, способных к кислородному дыханию, можно определить по геологическим отложениям. Синезеленые водоросли вдруг оказались в мире безо льда, поэтому быстро заполонили новые теплые верхние слои всех океанов 2,2 миллиарда лет назад площадь суши была в разы меньше, чем сейчас, так что синезеленые водоросли размножились в невероятных количествах, быстро увеличивая объемы кислорода. Они дрейфовали в мелководных морских экосистемах, куда легко проникал солнечный свет, и жили даже на поверхности суши. Поскольку эти организмы со страшной силой выделяли молекулярный кислород, значит они так же быстро потребляли и углекислый газ, который образовался в атмосфере во время «Земли-снежка», и, таким образом, океанские природные системы обогащались углеводородами. Сегодня такие легкие углеводороды поглощаются организмами, потребляющими кислород, и снова превращаются в углекислый газ. Возникает, впрочем, вопрос: что происходило с этими процветающими сообществами синезеленых водорослей, если тогда еще не существовало организмов, способных потреблять кислород? Ведь этих водорослей было так много, что это могло вызвать глобальные химические изменения на поверхности Земли, в атмосфере и океанах.
Углеводороды и кислород, смешиваясь на воздухе, образуют взрывоопасную смесь, и достаточно небольшой искры, чтобы запустить бурную реакцию, которую уже не остановить. Но углеводороды, растворенные в воде в виде небольших частиц, могут расщепляться только микроорганизмами. Без необходимого химического взаимодействия на Земле произошел бы серьезный сбой углеродного круговорота. В частности, при образовании большого количества углеводородов в атмосферу обязательно должно было попасть большое количество кислорода.
