Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

В молодости наше Солнце было намного активнее, чем сейчас. Оно вращалось гораздо быстрее, создавая более сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, поддерживало гигантские вспышки и сильный солнечный ветер, рождавшие хаос в первозданной атмосфере. Кроме того, постоянная бомбардировка Земли массивными астероидами, проходившая в течение первых нескольких сотен миллионов лет, могла испарить целые океаны, вытеснив облака пара в верхние слои атмосферы, где ультрафиолетовое излучение могло бы разъединить молекулы H₂O, позволяя Водороду уйти (см. ниже). 4 миллиарда лет назад большая часть первичной атмосферы исчезла. Доказательства утечки можно найти в соотношениях изотопов благородных газов; согласно этому сценарию, улетучивание более легких изотопов (и атомов) должно происходить свободнее. Более того, оказалось, что соотношение изотопов Неона ²⁰Ne/²²Ne на Земле составляет 0,102, что на 16 % ниже, чем в исходной солнечной туманности, из которой сформировались планеты и их атмосферы. Отношение Неона (атомная масса 20) к Аргону (атомная масса 40) на Марсе, Земле и Венере в каждом случае составляет лишь 1 % от того, какое характерно для Солнца, что указывает на предпочтительное высвобождение более легких атомов².

В то время как первичная атмосфера удалялась с планеты, извергающиеся вулканы и непрестанные столкновения с астероидами приносили к нам молекулы Азота (N₂), оксида Углерода (CO), углекислого газа (CO₂), воды (H₂O) и других молекул в меньших количествах. В океанах с жидкой водой CO₂ может вступать в реакцию с Магнием и Кальцием с образованием карбонатных пород – так забирается большая часть атмосферного CO₂ и запускается углеродный цикл, который остается активным и по сей день (атмосферный CO₂ → карбонаты в океане → известняк на дне океана → известняк на суше из-за тектоники плит → выветривание горных пород, вулканы → CO₂ в атмосфере и океанах).

Как мы установили в главе 13, жизнь на Земле процветала еще до того, как нашей планете исполнился миллиард лет и цианобактерии начали свою работу по новому преображению атмосферы, накачивая ее Кислородом. На протяжении миллиарда с лишним лет этот высокореактивный элемент сочетался с другими элементами на поверхности Земли и в океанах (особенно с Железом в виде Fe₃O₄ и Fe₂O₃), что привело к образованию полосчатых железистых кварцитов, источника большей части сегодняшней железной руды³. В конечном итоге окисление железа и других элементов начало снижаться, а O₂, производимый фотосинтезирующими бактериями, стал накапливаться в атмосфере в ходе так называемой «Кислородной катастрофы», случившейся 2,5–2,4 миллиарда лет назад, когда атмосферный O₂ повысился от нуля до примерно 4 %. Это было фатальным для многих одноклеточных организмов, которые могли жить только в бескислородной среде, хотя некоторые из них, например археи, производящие метан, и анаэробная бактерия ботулизма (clostridium botulinum), выживают и по сей день.

Уровень атмосферного Кислорода оставался неизменным на протяжении еще более чем миллиарда лет, пока примерно 650 миллионов лет назад не начал повышаться после насыщения всеми металлами, с которыми он мог соединяться как на суше, так и в море. За следующие 100 миллионов лет он быстро возрос до 12 %, а потом произошел кембрийский взрыв – внезапный расцвет многоклеточных растений и животных в океане и появление первых растений на суше. Поскольку наземные растения теперь выделяли O₂ (и лишь немногие наземные животные вдыхали его), уровень продолжал расти, и примерно 280 миллионов лет назад достиг своего пика, – в те дни, когда огромная часть флоры на протяжении тысячелетий сгнивала и уходила под землю, чтобы превратиться в современные угольные пласты, он составлял 35 % атмосферы. Насекомые, которые поглощают Кислород непосредственно через панцирь и ограничены в размерах его концентрацией, достигли своего наивысшего расцвета: размах крыльев у стрекозоподобных видов превышал 60 см.

К этому времени Землю заселили земноводные и рептилии. Массивные извержения вулканов, которые произошли примерно 241 млн лет назад, вызвали резкое снижение содержания O₂ примерно до 15 % (и привели к крупнейшему массовому вымиранию за последние полмиллиарда лет). Затем содержание Кислорода медленно восстановилось, снова поднявшись примерно до 30 %, когда на Земле властвовали самые крупные динозавры, а затем, после удара астероида и мел-палеогенового вымирания, снова снизилось и примерно 25 миллионов лет назад оказалось на уровне в 21 %, который мы наблюдаем сегодня. Таким образом, на протяжении нескольких последних миллиардов лет действовала петля обратной связи, в которой состав атмосферы влиял на структуру жизни, а присутствие развивающейся жизни вело к изменению состава атмосферы.

Атмосферные изменения: термический максимум после катастрофы