Кислород. Молекула, изменившая мир

Хотя мы пока не знаем, насколько серьезными были эти периоды оледенения, нам известны их последствия, зафиксированные в камнях в виде изотопных подписей. Эти подписи рассказывают удивительную историю. В частности, соотношение изотопов ¹²С и ¹³С (см. главу 3) в покровных карбонатах и других минеральных отложениях на протяжении всего докембрийского периода очень сильно колебалось (рис. 3). Соотношение изотопов на базовом уровне, как в вулканах, означает почти полное отсутствие захоронения органических веществ, поскольку захоронение органических веществ всегда приводит к нарушениям природного равновесия. Если органическое вещество не откладывается в земле, значит, оно не производится. Другими словами, биологическая активность отсутствует. Это соответствует ровной прямой линии на электрокардиограмме и указывает на практически полное исчезновение всех живых организмов во время или сразу после каждого ледникового периода, когда из воздуха удален углекислый газ, а океаны превратились в кислые бани. Напротив, высокий уровень содержания изотопа ¹³С указывает на массированное образование и захоронение органического вещества (в основном в виде микропланктона, водорослей и бактерий). Избыток ¹³С попадал в океан и формировал следующий слой карбонатных гор. В такие моменты, например после стуртианского оледенения примерно 700 млн лет назад (см. рис. 3), жизнь расцветала как никогда прежде.

Этот сценарий кажется вполне реальным. Если лед действительно покрывал всю Землю целиком, выжить могли лишь немногие клетки или самые крошечные животные, обитавшие в горячих источниках либо под сравнительно тонким слоем льда, проницаемым для солнечного света[23]. Жизнь ухватилась за тоненькую спасительную нить, которая помогла ей сохраниться в адской кислой бане. Не приходится удивляться, что в этот период было захоронено мало органического материала. Но после всех ужасных бедствий Земля возвращалась к климатическому равновесию. Выжившие в катаклизме существа могли расселяться по всей планете. Они должны были плодиться как сумасшедшие. Им в этом помогало обилие минеральных и питательных веществ, оставшихся после движения ледников и смытых в океаны талой водой. Наличие питательных веществ и свободного пространства стимулировали невиданный до тех пор рост цианобактерий и водорослей — мир превратился в сине-зеленый океан. Между ледниковыми периодами за короткое время воздух наполнялся кислородом, окислявшим поверхность океана.

Этот дополнительный кислород может сохраняться в воздухе при условии, что он не расходуется другими бактериями для дыхания или на реакции с минералами или газами. При окислении железа каждый атом железа отдает один электрон кислороду, превращаясь в оксид железа. А каждый атом углерода из органического вещества, превращаясь в углекислый газ, отдает целых четыре электрона.

Рис. 3. Изменение соотношения изотопов углерода в конце докембрийского и в начале кембрийского периода. Значения приводятся в частях на тысячу по отношению к эталону PDB. Эталон PDB ― это уровень содержания изотопа ¹³C в белемните из формации Пи-Ди в Южной Каролине. Белемнит представляет собой форму известняка, образовавшегося в результате обызвествления вымерших моллюсков (родственников кальмаров), которые были широко распространены во время юрского и мелового периодов. Тока на вертикальной оси указывает среднее современное содержание изотопа ¹³C. Пики на кривой (положительные аномалии) указывают на усиление захоронения органического материала (и, вероятно, на повышение концентрации кислорода), тогда как провалы (отрицательные аномалии) указывают на отсутствие погребенного органического материала. Эти провалы соответствуют предполагаемым периодам оледенения Земли, из которых наиболее значительными были стуртианское (750 ― 730 млн лет назад) и варангерское (610 ― 590 млн лет назад). Символ Fe означает образование полосатых железных гор. Крест указывает момент массового исчезновения микропланктона, предшествовавший появлению эдиакарской фауны ― вендобионтов и первых червей. Рисунок приводится с модификациями с разрешения Нолла и Холланда и Национальной академии наук США

Таким образом, один атом органического углерода при окислении потребляет в четыре раза больше кислорода, чем один атом железа. Это означает, что для предотвращения полного расходования атмосферного кислорода нужно помешать его взаимодействию с органическим веществом, а самый простой способ сделать это — как можно быстрее захоронить органическое вещество в земле.