Кислород. Молекула, изменившая мир

Сегодня, когда самые богатые рудные месторождения уже исчерпаны, полосатые железные горы являются главным источником низкокачественной железной руды. В соответствии с данными Американского геологического общества, мировые ресурсы железной руды все еще превышают 800 млрд тонн, и в них содержится свыше 230 млрд тонн полезного железа. Самые большие запасы железа сосредоточены в Австралии, Бразилии и Китае. Из этого количества как минимум 640 млрд тонн руды сформировалось в период от 2,6 до 1,8 млрд лет назад. Только в районе Хамерсли запасено 20 млрд тонн железной руды, содержащей 55% железа.

Мы не знаем точно, как возникли эти отложения железа и почему они полосатые. Объяснений может быть так много, а доказательств так мало, что геологи пока не готовы представить однозначную версию событий. Впрочем, существуют весьма красочные гипотезы. Например, древние суеверия гласят, что обширные отложения гематита (слово происходит из греческого языка и означает «кровавый камень») образовались из потоков крови, проливавшейся на землю во время тяжелых битв. Более наукообразное объяснение связывает полосатый рисунок гор с периодическими эпизодами вымирания популяций водорослей, уничтоженных ими же произведенным кислородом. Но ни одна из версий не выдерживает критики. Более того, у нас нет оснований утверждать, что все подобные горы сформировались одинаковым путем, тем более что многие из них появились в разное время. Но некоторые общие принципы должны быть справедливы для всех случаев, и на этом основании можно попытаться определить условия, при которых полосатые горы сформировались. Важнее всего, что после накопления кислорода в атмосфере до современного уровня такие горы больше не возникали. В присутствии кислорода железо переходит в нерастворимую форму, и это означает, что до образования полосатых гор в океане не было кислорода, а затем он появился и способствовал отложению железа. Чтобы на основании этой информации сделать какие-то выводы, нужно подробнее проанализировать химические свойства железа.

Чистое железо содержится только в ядре Земли и в метеоритах. Изделия из метеоритного железа — дорогая диковинка. Все железо в составе руд из земной коры в какой-то степени окислено, хотя, как мы увидим, окисление железа не всегда указывает на присутствие кислорода. В природе железо находится в одной из двух основных форм — в виде растворимого двухвалентного железа (Fe²⁺) и более сильно окисленного нерастворимого трехвалентного железа (Fe³⁺), образующего ржавчину. В присутствии кислорода растворимое двухвалентное железо окисляется, превращаясь в нерастворимую ржавчину. Нет ничего удивительного в том, что в современных, насыщенных кислородом океанах содержится мало растворенного железа, поскольку кислород отбирает у него электроны, превращая в нерастворимый осадок. Единственное исключение — плохо вентилируемое дно Красного моря, где уровень растворенного железа в 5000 раз выше обычного и где могут жить только бактерии. Вероятно, именно такие условия были в океанах докембрийского периода: в бескислородной среде растворенное железо, попадающее в воду в результате вулканической активности и эрозии, могло накапливаться в очень высокой концентрации.

Второй пример из современной жизни позволяет предположить дальнейший ход событий. Черное море — самое большое в мире пространство слабо окисленной воды, в которой можно выделить два уровня. В окисленных поверхностных водах до глубины около 200 м существует хорошо сбалансированная экосистема (при контролируемом отлове рыбы там встречается даже знаменитый осетр). Напротив, в более глубоких слоях, содержащих 87% черноморской воды, кислорода нет и нет никакой жизни (кажется, за исключением червя нематоды — единственного животного, способного осуществлять полный жизненный цикл без участия кислорода). Такая ситуация сложилась в Черном море примерно 7500 лет назад, спустя несколько тысяч лет после окончания последнего ледникового периода. Специалисты в области геологии моря Уильям Райан и Уолтер Питмен из Колумбийского университета считают, что этот эпизод в истории Земли и был назван Всемирным потопом. Таяние крупнейших ледников привело к подъему уровня моря на несколько десятков или сотен метров. Однако Черное море было отделено от других (теперь связь осуществляется через узкий пролив — Босфор), и поэтому таяние ледников изменило его глубину в меньшей степени, чем глубину соседних морей. Бассейн Черного моря остался низким, значительно ниже уровня моря (как Мертвое море сегодня), и, если можно так выразиться, сухим.