Кислород. Молекула, изменившая мир

Наверное, это самая распространенная версия образования полосатых железных гор, но и она не лишена недостатков. Старейшие железные горы возрастом 3,8 млрд лет совершенно точно образовались до накопления кислорода в атмосфере. Более того, чаще всего подобные горы состоят не из чистых оксидов железа, таких как гематит, которые могли бы образоваться за счет понятных химических реакций в присутствии кислорода. Существуют другие биологические механизмы, способствующие окислению железа и не требующие присутствия свободного кислорода. Один такой механизм был описан в 1993 г. Фридрихом Уидделом и его коллегами из Института морской биологии Макса Планка в Бремене. Из берегового ила они выделили штамм пурпурной бактерии, которая может производить железную руду под действием солнечного света, но без участия свободного кислорода. Основным продуктом этой реакции является бурый, напоминающий ржавчину осадок гидроксида железа, который обычно содержится в полосатых железных горах. Уиддел утверждал, что периодический сезонный подъем придонных вод к освещенной поверхности водоемов мог стимулировать быстрое образование железосодержащих отложений под действием пурпурных бактерий. Таким образом, хотя присутствие цианобактерий и оксидов трехвалентного железа в полосатых горах указывает на присутствие кислорода в атмосфере, Уиддел с коллегами показал, что какие-то отложения железа могли стать продуктом жизнедеятельности пурпурных бактерий в бескислородной среде. Так что полосатые железные горы не позволяют на количественном уровне оценить содержание кислорода в атмосфере в тот или иной период.

Более точный метод датирования изменений концентрации кислорода был предложен ведущим специалистом в этой области Дональдом Кенфилдом из Университета Южной Дании. Он написал по этому поводу целую серию статей, опубликованных в журналах Science и Nature. Кенфилд использовал не совсем прямой путь, прибегнув к помощи сульфатредуцирующих бактерий. Его метод основан на два наблюдениях.

Во-первых, сульфатредуцирующие бактерии извлекают энергию из реакции восстановления сульфата (SO₄^2-) водородом с образованием сероводорода. В современных морях сульфата довольно много (примерно 2,5 г/л), но в начале докембрийского периода его должно было быть значительно меньше, так как для его образования нужен кислород. Это предположение подтверждается тем, что на первозданной Земле не было эвапорита (осадочной соли) сульфата, такого как гипс. Если сульфат образуется только в присутствии кислорода, сульфатредуцирующие бактерии не могли эволюционировать до появления кислорода в атмосфере. Можно пойти дальше: поскольку низкое содержание сульфата лимитирует скорость реакции, осуществляемой сульфатредуцирующими бактериями, и не позволяет им расти в проточной воде, активность бактерий зависит от концентрации кислорода. Иначе говоря, хотя сульфатредуцирующие бактерии являются строгими анаэробами (кислород их убивает), они не могут жить в мире, в котором нет кислорода, и их активность, в конечном счете, зависит от наличия кислорода.

Второе наблюдение Кенфилда связано с изотопами серы. Как фотосинтезирующие организмы оставляют в камнях изотопные подписи углерода, так сульфатредуцирующие бактерии оставляют изотопные подписи серы, поскольку умеют различать два стабильных изотопа серы с массой 39 и 34. Как и в случае изотопов углерода, более легкий изотоп ³²S обладает чуть более высокой колебательной энергией, и поэтому ферменты охотнее катализируют реакции с его участием. По этой причине сульфатредуцирующие бактерии выделяют сероводород, обогащенный изотопом ³²S, а изотоп ³⁴S остается в воде. При определенных условиях сероводород и сульфат могут осаждаться из океанской воды и участвовать и образовании горных пород. И в этих горах можно прочесть изотопные подписи серы. Тем, кто еще не видит прямой связи между минералами и живой природой, может показаться удивительным, что сероводород взаимодействует с растворенным железом с образованием пирита, который осаждается на дно. Пирит может иметь как вулканическое, так и бактериальное происхождение. В отличие от пиритов вулканического происхождения с постоянным соотношением изотопов серы, пириты биологического происхождения несут на себе оставленное жизнью клеймо — в них соотношение изотопов отличается от стандартного соотношения.