Первый ветерок и второе дыхание

 

Самая первая атмосфера Земли предположительно была «каменистой» – насыщенной измельченными и распыленными частицами горных пород, поднятыми в воздух вследствие постоянной бомбардировки планеты астероидно‑метеоритными телами. Помимо знаменитых цирконов из Джек‑Хиллс (о которых рассказывалось в главе 2), мы пока не нашли на Земле других свидетельств первых 500 млн лет ее существования. Единственный более или менее обширный источник информации об этом периоде, который ученые назвали гадейским эоном (он же катархей) в честь Гадеса (или Аида), греческого бога подземного царства мертвых, подразумевая, что в те времена наша планета напоминала ад, – это образцы, доставленные астронавтами и луноходами с Луны. Хорошо знакомая, изрезанная шрамами поверхность нашего спутника, сложенная породами, возраст которых составляет около 4,45 млрд лет, и покрытая толстым слоем раздробленных, большей частью измельченных до состояния пыли обломков пород (лунным реголитом), является наглядным свидетельством тех адских времен, когда остатки строительного материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, яростно бомбардировали молодые внутренние планеты.

Этот космический мусор предположительно включал не только каменные и металлические метеориты, но и ледяные кометы, прилетавшие из‑за пределов орбиты Нептуна и доставлявшие на новорожденную Землю драгоценную воду, собственные запасы которой на нашей планете, учитывая ее близость к Солнцу, были довольно ограничены. В любом случае, как свидетельствуют цирконы из Джек‑Хиллс, через 100 млн лет существования Земли на ее поверхности или по крайней мере в приповерхностной коре уже имелось некоторое количество воды – зачатки будущих океанов, которые впоследствии станут одной из главных уникальных особенностей нашей планеты. Установлено, что интенсивная бомбардировка Луны закончилась примерно 3,8 млрд лет назад, когда были образованы знаменитые лунные моря – в действительности гигантские кратеры, открытые Галилеем. А поскольку в гадейском эоне Луна была даже ближе к Земле, чем сегодня, разумно предположить, что в первые 700 млн лет своей жизни наша планета подвергалась такому же космическому обстрелу. И более того, вполне может быть, что это массированное воздействие привело к потере нескольких ранних атмосфер и океанов[60].

Таким образом, самые ранние систематические записи в летописи Земли совпадают с последними страницами истории Луны, после чего прерываются на 400 млн лет и возобновляются лишь около 4 млрд лет назад. Перевитые метаморфические породы, выходящие на поверхность в районе Большого Невольничьего озера на севере Канады – гнейсы Акаста, – официально признаны самой древней горной породой на Земле (это уже не просто минеральные зерна, такие как цирконы) и отмечают старт земного отсчета геохронологической шкалы: начало архейского эона. К сожалению, рассказывая в живых подробностях историю высокотемпературных поднятий и других процессов в недрах юной Земли, достопочтенные гнейсы Акаста (и чуть более молодые гнейсы в других районах Канады, а также в Гренландии и на юге Миннесоты) не сохранили никаких воспоминаний об условиях на поверхности планеты.

Первые сведения о происходившем на дневной поверхности Земли мы можем получить благодаря супракрустальным комплексам в формации Исуа на юго‑западе Гренландии, которые были образованы 3,8–3,7 млрд лет назад, примерно в то время, когда интенсивная космическая бомбардировка наконец‑то пошла на убыль. Формация Исуа включает разнообразные осадочные породы, образованные в результате эрозии и осадконакопления в поверхностных водах, а также зеленокаменные породы – метаморфизированные, но узнаваемые «подушечные» базальты с луковицеобразной формой отдельности, которая является характерным признаком подводных извержений. Это говорит о том, что в то время на Земле уже были океаны, а близость Луны, вероятно, значительно увеличивала высоту приливов. Приливы также были более частыми, чем сегодня, поскольку день длился предположительно меньше 18 часов (соответственно, в году было около 470 дней)[61]. Со временем трение между системой океан‑атмосфера и твердой оболочкой Земли, действуя как мягкий тормоз, постепенно замедлило вращение планеты.

Породы формации Исуа снабжают нас косвенными сведениями о второй атмосфере Земли. Их происхождение свидетельствует о том, что 3,8 млрд лет назад на Земле жидкая вода была в изобилии, что, однако, вступает в противоречие с моделями звездной эволюции, согласно которым наше Солнце, относящееся к звездам класса желтый карлик, в те времена было примерно на 30 % менее ярким, чем сегодня, – а при таком количестве поступающей солнечной энергии любая вода на Земле должна была находиться в замороженном состоянии. Впервые на этот парадокс слабого молодого Солнца обратил внимание астрофизик Карл Саган в 1972 г.[62] Было выдвинуто множество оригинальных гипотез, как примирить это очевидное противоречие между астрофизической теорией и палеогеологическими данными (несущее в себе отголоски предыдущих противостояний между физикой и геологией). На сегодняшний день преобладает объяснение, согласно которому большая концентрация парниковых газов в атмосфере компенсировала недостаток солнечной энергии и сделала климат на юной Земле достаточно мягким для того, чтобы древние реки могли течь и стекаться в открытые моря. Как показывает атмосфера соседних Венеры и Марса с их затянувшейся вулканической активностью, первыми парниковыми газами, вероятно, были углекислый газ (CO₂) и водяные пары, хотя метан, этан, азот, аммиак и другие газообразные вещества могли играть роль дополнительных одеял, сохранявших архейский мир в тепле. Каким бы ни был ее точный состав, эта вторая атмосфера просуществовала более миллиарда лет и дала жизнь первым землянам.

 

Признаки жизни

 

Очевидное водное происхождение пород формации Исуа делает их бесценными угодьями для охотников за ранними формами жизни. В 1996 г. группа геологов из США, Великобритании и Австралии объявила об обнаружении косвенных геохимических доказательств древней жизни в графите (минеральной форме углерода), найденном в обогащенном железом слое в двух обнажениях пород формации Исуа[63]. В частности, они выявили необычно высокое содержание более легкого, стабильного (т. е. нерадиоактивного) изотопа углерода ¹²C по отношению к чуть более тяжелому ¹³C. Дело в том, что фиксирующие углерод организмы, в том числе фотосинтезирующие микробы и современные растения, очень разборчивы в отношении углерода. Поскольку для ассимиляции более легкого изотопа требуется чуть меньше энергии, они предпочитают выбирать именно его из доступных в окружающей среде углеродных атомов. В результате биогенный углерод имеет более низкое соотношение ¹³C/¹²C (разница в несколько тысячных долей), чем углерод, который не был переработан живыми организмами.

Как и предыдущие заявления об обнаружении самых древних свидетельств жизни на Земле, это открытие подверглось многочисленным атакам. Геологи из других исследовательских групп выдвигали разные предположения: что исследованные породы слишком метаморфизованы, чтобы сохранить исходную сигнатуру изотопов углерода[64], что на одном из опробованных участков вмещающая порода, казавшаяся осадочным образованием, в действительности была магматической интрузией[65] или что образцы были попросту загрязнены современным органическим веществом[66]. Горячий характер этой дискуссии вполне понятен, учитывая, насколько высоки ставки – в конце концов, речь идет об истории нашего собственного происхождения!

Из‑за этой неопределенности приз за звание самых древних подтвержденных следов жизни был пока что возвращен очень похожей на формацию Исуа, но более молодой толще зеленокаменных и осадочных пород, находящейся на другой стороне мира – на северо‑западе Австралии. Это формация Дрессер группы Варравуна, которая, хотя и моложе на 250 млн лет, может, по крайней мере, похвастаться наличием прямых, зримых следов жизни – ископаемых строматолитов (рис. 10)[67]. Эти тонкослоистые, комковатые породы (название которых буквально означает «каменная подстилка» или «ковровый камень», что связано с их бугристой поверхностью) являются окаменелыми микробиальными матами, вероятно представляющими не один биологический вид, а вертикальную экосистему прокариот, находящихся в симбиотических отношениях и живших в первобытном океане. Осадочные текстуры, характерные для среды с волновым возмущением, указывают на то, что строматолиты росли в мелких, хорошо освещенных солнцем водах, а также позволяют предположить, что эти организмы, по крайней мере в верхних слоях, были фотосинтетиками. Имея уже довольно сложную коммунальную организацию, строматолитовые колонии не могли быть самыми первыми формами жизни. Как и цирконы из Джек‑Хиллс и несогласное напластование Геттона, они указывают на существование гораздо более ранних, пока неизвестных предшественников. Тем не менее пальма первенства не только в категории самых древних сохранившихся пород, но и самых древних следов биосферы осталась пока у Австралии.

 

 

В 2016 г., после двух десятилетий жарких споров по поводу того, заключены ли в породах Исуа химические призраки древних организмов, еще одна группа геологов, включавшая двух авторов оригинальной статьи об изотопах углерода, опубликовала новое исследование, сообщив об обнаружении образований, вероятно являющихся строматолитами, в обнажении карбонатных (известняковоподобных) пород в формации Исуа, недавно вскрытом в результате таяния ледника[68]. Их возраст оценивается в 3,7 млрд лет. Освещая это открытие, мировые СМИ вполне ожидаемо подчеркивали его важность для поисков жизни на Марсе, хотя куда более важный его смысл кроется в том, что жизнь на Земле, по всей видимости, зародилась и достигла значительного разнообразия еще в те времена, когда на планете царил ад космических бомбардировок[69]. И с этого момента эволюция земной атмосферы была тесно переплетена с эволюцией жизни.

 

Железный век

 

Стальной магнат (и позже филантроп) Эндрю Карнеги, который в свое время был богаче Билла Гейтса, Сэма Уолтона и Уоррена Баффета, вместе взятых, сколотил состояние, не только эксплуатируя тысячи рабочих на своих сталелитейных заводах, но и, если копнуть глубже, благодаря труду несметного числа древних микробов. Сталь Карнеги, как, впрочем, и практически вся остальная сталь в мире, выплавлялась из пород, относящихся в некотором смысле к исчезнувшему роду. Большинство типов пород, например базальты, извергаемые вулканами срединно‑океанических хребтов, или песчаники, состоящие из гранулированных остатков других пород, более или менее вечны в том смысле, что сегодня их образование продолжается на Земле точно так же, как на протяжении прошедших миллиардов лет. В отличие от них, осадочные образования с незамысловатым названием «железистые формации» накапливались лишь в определенный период времени в истории Земли и отражают революцию в химическом составе поверхности планеты, которая произошла лишь однажды, в раннем протерозое, от 2,5 до 1,8 млрд лет назад. В частности, эти самые плотные из пород свидетельствуют о радикальном изменении атмосферы – переходе от поверхностных условий без свободного кислорода (О₂) к дивному новому миру, созданному благодаря неустанному труду выделяющих кислород фотосинтетических микроорганизмов, таких как синезеленые водоросли, или цианобактерии (чьи современные потомки являются бичом стоячих водоемов, вызывая цветение воды и неприятный запах). Эта была третья атмосфера Земли.

Полосчатые железистые формации, чаще всего встречающиеся в Австралии, Бразилии, Финляндии и регионе Верхнего озера, – это красивые породы с яркой цветовой палитрой, где тонкие слойки серебристого гематита и черного магнетита чередуются с серым кремнем и красноватой яшмой. Мощность этих формаций может достигать сотен метров. Как правило, они разрабатываются гигантскими открытыми карьерами, такими как огромная рукотворная бездна «Халл Раст» («Большой каньон Севера») в Хиббинге (штат Миннесота), родном городе Боба Дилана. Если не принимать во внимание их металлический состав, эти железистые формации очень сходны с современными известняками по характеристикам осадконакопления, что позволяет предположить, что они откладывались и в мелководной морской обстановке. Однако в современном океане железо находится в таком дефиците, что выступает так называемым лимитирующим питательным веществом – необходимым для жизни элементом, нехватка которого сдерживает биологическую продуктивность. На этом факте даже основана одна из предлагаемых сегодня спорных схем климатического инжиниринга. Идея состоит в том, чтобы распылить в Мировом океане достаточное количество железного порошка, что активизирует процесс размножения и фотосинтеза цианобактерий, которые (если все пойдет согласно плану) будут оседать на дно океана, секвестрируя большое количество углерода и не ввергая в хаос (скрестим пальцы!) всю остальную морскую биосферу. В отличие от сегодняшней морской воды, содержащей лишь следовые количества железа, протерозойские океаны изобиловали железом, о чем свидетельствуют огромные объемы распространения железистых формаций, – представьте себе всю сталь мира, заключенную в автомобилях, самолетах, зданиях, мостах, железных дорогах и т. п.

Именно кислород, этот мятежный газ, впервые выработанный цианобактериями, изменил правила игры в отношении того, что отныне могло и не присутствовать в морской воде. В докислородном режиме железо, извергаемое из глубоководных вулканических жерл, спокойно пребывало в открытом океане в растворенном виде, перемешиваясь без видимого эффекта с натрием, кальцием и другими ионами. Но, как только кислород начал накапливаться на мелководьях, его атомы принялись охотиться за атомами железа, связывать их и тянуть на дно, создавая железистые формации. Кислород очистил океаны от железа, в буквальном смысле превращая его в ржавчину.

 

Новый мировой порядок

 

Этот геохимический переворот, называемый геологами Великим кислородным событием, или Кислородной катастрофой, сопровождался радикальным переписыванием атмосферно‑гидросферной химической конституции. Присутствие свободного кислорода изменило характер химического взаимодействия между дождевой водой и породами на суше, что отразилось на составе рек, озер и подземных вод. Именно в это время из осадочных отложений исчезли некоторые типы галечников, распространенные в руслах рек архейского эона, в частности галька пирита и богатых ураном минералов, которые стали нестабильными или растворимыми в воде в условиях нового геохимического регламента. И наоборот, на страницах стратиграфической летописи появились новые записи в виде современных оксидных минералов – сульфатов и фосфатов, таких как гипс и апатит. Так зародившаяся жизнь изменила казавшиеся незыблемыми устои древнего минерального царства.

Присутствие свободного кислорода (О₂) на поверхности Земли также привело к формированию в стратосфере озонового (O₃) слоя, который защитил поверхностную среду от разрушительного действия солнечного ультрафиолетового излучения и значительно расширил границы зоны, доступной для обитания живых организмов. Новые альянсы между кислородом и другими элементами увеличили мобильность ранее дефицитных питательных веществ, таких как азот. Это стимулировало масштабные биологические инновации, в том числе повышение эффективности фотосинтеза, что привело к дальнейшему увеличению производства кислорода. Подобно тому как сегодня прорывные инновационные технологии создают новые рыночные возможности, на Земле были сформированы совершенно новые биогеохимические циклы – глобальные товарные биржи, на которых одноклеточные прокариотические организмы‑посредники обеспечивали круговорот огромных объемов углерода, фосфора, азота и серы[70]. В этих условиях крошечный предприимчивый прокариот (получивший позже название «митохондрия»), научился перерабатывать кислород и осуществил стратегическое симбиотическое слияние с более крупной клеткой, основав надцарство эукариот, которое в конечном итоге «населилось» растениями и животными.

Между тем с Великим кислородным событием связана важная загадка, на которую у ученых пока нет ответа: почему между появлением первых фотосинтезирующих форм жизни (3,8 млрд лет назад) и появлением свободного кислорода (около 2,5 млрд лет) прошло так много времени? Одно из возможных объяснений состоит в том, что организмы, сформировавшие строматолиты в формациях Исуа и Варравуна, использовали аноксигенный (без образования кислорода) фотосинтез – на первый взгляд оксюморон для тех, кто знаком с жизнедеятельностью растений. Однако эта метаболическая стратегия до сих пор используется некоторыми бактериями, прячущимися в низкокислородных убежищах, таких как заросшие водорослями стоячие водоемы. Вместо того чтобы соединять углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O) под воздействием солнечного света с образованием сахаров (CH₂O) n (где n равно 3 или более) и выделением кислорода (O₂), эти микробы производят сахара из CO₂ и сероводорода (H₂S), газа с запахом тухлых яиц, и выделяют в качестве отходов серу.

Другое объяснение может состоять в том, что микробы в строматолитах действительно производили свободный кислород, но весь его объем столь же эффективно потреблялся при их разложении. Разложение является точной противоположностью фотосинтеза – та же химическая реакция, только в обратном направлении, когда сахара и другие углеродно‑водородные соединения, созданные организмами, реагируют со свободным кислородом с образованием углекислого газа и воды (ускоренный вариант этой реакции в виде сжигания углеводородов – излюбленное занятие людей). Таким образом, если фотосинтез и разложение идеально сбалансированы, чистого накопления О₂ в атмосфере происходить не будет. Но кажется маловероятным, чтобы такой баланс мог сохраняться на протяжении 1,3 млрд лет, учитывая тот факт, что по крайней мере часть органической материи захоранивалась в осадках без разложения (и в конечном итоге превращалась в те самые ископаемые углеводороды, которые мы так любим окислять).

Наконец, согласно еще одной гипотезе, на протяжении более чем миллиарда лет весь кислород, образовывавшийся в ходе фотосинтеза, тут же вступал в реакцию со склонными к окислению вулканическими газами, особенно сероводородом, которые в больших количествах извергались подводными вулканами. Затем, примерно в конце архея, вероятно, произошел переход к более современному тектоническому режиму с вулканизмом магматических дуг в зонах субдукции, при котором стали преобладать газы с меньшими восстановительными свойствами[71]. Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста и зеленокаменные породы Исуа, через призму современной тектоники плит. Отдельные ревнители униформизма, ссылаясь на малоубедительные косвенные свидетельства на основе анализа цирконов из Джек‑Хиллс, даже утверждают, что в гадее Земля выглядела точно так же, как сейчас. Однако многие другие (признаюсь, включая и меня) считают, что мы должны подавить голос Чарльза Лайеля в наших головах и допустить возможность того, что во времена архея и гадея фундаментальная тектоника Земли выглядела иначе.

Прежде всего, твердая оболочка молодой Земли была намного горячее (лорд Кельвин отчасти был прав), что делало невозможной субдукцию океанической коры в ее современном виде. К тому же, при том что архейские породы несут в себе следы столкновений и смятия поверх конвектирующей мантии, структурные особенности их деформации отличаются от тех, что характерны для современных деформированных пород на четко определенных стыках твердых плит. Более горячие и подвижные коровые плиты могли нагромождаться друг на друга и подвергаться частичному плавлению с извлечением компонентов, из которых затем происходило образование гранитной континентальной коры, в то время как нижний слой остаточной плотной породы в виде огромных капель погружался обратно в мантию, как это предполагается в модели дрип‑тектоники  (от англ. drip – «капля»)[72]. Но уже в толщах пород конца архейского эона мы можем распознать элементы современной архитектуры земной коры: континентальные шельфы, зоны субдукции, вулканические дуги и полноценные горные пояса, а это означает, что к тому времени Земля достаточно остыла для того, чтобы сформировать хрупкую внешнюю оболочку. Таким образом, переход от старой тектонической системы к новой вполне мог стать тем самым фактором, благодаря которому потребление кислорода начало отставать от его производства. На самом деле кажется вполне логичным, что тектоническое совершеннолетие Земли по времени совпадает с фундаментальным изменением химического состава ее поверхностной среды.

Хотя Великое кислородное событие привело к кардинальному разрушению устоявшегося геохимического порядка, с точки зрения фактического масштаба оно было не таким уж великим, как предполагает его название. Некоторые металлические элементы‑примеси в полосчатых железистых формациях, такие как хром, имеют стабильные изотопы, очень чувствительные к уровню кислорода – как своего рода докембрийские канарейки^{9} в неких вневременных угольных шахтах. Так вот, соотношения этих изотопов предполагают, что в раннем протерозое концентрация кислорода в атмосфере составляла лишь небольшую долю – менее 0,1 % – от современного уровня (сейчас на кислород приходится 21 % объема атмосферы)[73]. Нам, существам, живущим в фанерозое, этот мир вряд ли показался бы гостеприимным. Однако с точки зрения химических возможностей переломной является разница между отсутствием свободного кислорода и его присутствием даже в малом количестве, а не разница между «немного» и «немного больше».

 

Миллиард лет застоя

 

После потрясений Кислородной катастрофы атмосфера Земли, судя по имеющимся у нас данным, вступила в длительный период геохимической стабильности. Хотя основной этап осаждения железистой формации закончился около 1,8 млрд лет назад, уровень кислорода оставался примерно постоянным, намного ниже нынешнего уровня, на протяжении еще миллиарда лет[74]. Такое устойчивое равновесие (представьте себе национальную экономику, которая на протяжении столетий не испытывает инфляции, рецессий и рыночных потрясений) указывает на удивительный баланс между производством кислорода трудолюбивыми одноклеточными фотосинтетиками и его потреблением ненасытными металлами, сернистыми вулканическими газами и разлагающейся органической материей. По мнению ученых, такая стабильность может объясняться только жесткими ограничительными условиями, например острой нехваткой фосфора – важнейшего питательного вещества для всех форм жизни.

В то время как верхние слои океана постепенно насыщались кислородом, есть свидетельства того, что более глубокие слои оставались в переходном состоянии раннего протерозоя. В таких стратифицированных условиях железосодержащие минералы продолжали забирать из глубоководных слоев драгоценный фосфор, сохраняя его на своей поверхности, – подобно жуликам, которые контрабандой вывозят из бедной страны ценную валюту в подкладке пальто. Это, в свою очередь, вызывало хронический недостаток фосфора в верхних слоях, что сдерживало биологическую продуктивность, ограничивало захоронение органического углерода и в результате препятствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере[75].

Этот «голодный» режим заставлял организмы переходить на диеты с низким содержанием фосфора и развивать новые стратегии рециркуляции. Но во всем остальном эволюция, казалось, выжидала время. Несмотря на относительное биоразнообразие, жизнь по‑прежнему оставалась одноклеточной; в океанах процветали планктонные виды, включая некоторых эукариотических гигантов, известных как акритархи, которые достигали 0,8 см в диаметре, а береговые линии по всей планете были покрыты коврами из строматолитов. Этот мирный и спокойный протерозойский эон получил среди геологов неофициальное прозвище «скучного миллиарда лет». Однако это название в духе Гомера Симпсона^{10} абсолютно несправедливо и вводит в заблуждение, подобно тому как учебники по истории основное внимание уделяют только войнам, а длительные периоды мира и созидания пропускают как «время, когда ничего не происходило».

Во‑первых, такое длительное поддержание равновесия может служить примером того, как нам, людям, следует изменить свои биогеохимические поведенческие модели, чтобы предотвратить надвигающуюся экологическую катастрофу, которая является результатом неконтролируемого потребления ограниченных ресурсов и колоссального дисбаланса между производством и удалением атмосферных газов. В отличие от нас, представителей голоценовой эпохи, земляне в протерозойском эоне «соблюдали» фундаментальные принципы устойчивого существования: весь интенсивный геохимический товарообмен происходил в рамках замкнутых циклов, где отходы одной группы микробных производителей были сырьем для другой.

Во‑вторых, именно в ходе этого «скучного» миллиарда лет сформировались прочные ядра современных материков, когда в результате перехода Земли к новому тектоническому режиму произошло соединение блоков древней архейской коры (кратонов) и затем их постепенное обрастание вулканическими дугами. Породы фундамента, находящиеся у меня под ногами в моем родном Висконсине, а также скрытые под чехлом более молодых отложений по всему Среднему Западу и плато Великих равнин, почти все сформированы в ходе протерозойских горообразовательных процессов в течение «скучного» миллиарда лет, когда к древнему Канадскому щиту были присоединены обширные участки континентальной коры (рис. 11). В это, возможно, «скучное», но продуктивное время на Земле шло интенсивное инфраструктурное строительство – еще одна полезная практика, которую следовало бы позаимствовать нам, современным обитателям планеты.

 

 

Возможно, потому, что протерозойские породы и их история так хорошо мне знакомы, – некогда великие хребты Пеноки и Барабу в районе Верхнего озера, яростные вулканы над горячими точками в центральном Висконсине, огромный рифт Мидконтинента, почти разрывающий Северную Америку надвое, – «скучный миллиард лет» не кажется мне таким уж далеким временем. Меня охватывает приступ иррациональной печали при мысли о том, что примерно через такой же промежуток времени в будущем, т. е. где‑то через 1,5 млрд лет, окно обитаемости для нашей планеты будет закрыто. Солнце, которое постепенно разгорается все ярче (по самым консервативным оценкам, на 0,9 % за 100 млн лет), станет настолько горячим, что океаны начнут испаряться, а повышение концентрации водяного пара в атмосфере запустит бесконтрольный парниковый эффект[76]. Солнечная радиация будет расщеплять молекулы воды на водород и кислород, которые будут улетучиваться в космос. Другими словами, если жизнь на Земле стала возможной 3,8 млрд лет назад, когда закончилась интенсивная метеоритная бомбардировка, к настоящему моменту истекло почти три четверти периода, когда наша планета пригодна для обитания. Тем не менее мы должны быть благодарны за огромное количество отведенного нам времени, которое мы получили благодаря тому, что Земля принадлежит к системе желтой карликовой звезды со сроком жизни 10 млрд лет. Звезды всего вполовину больше Солнца живут в среднем около 3 млрд лет – что по земным меркам равно промежутку времени от рождения планеты до середины «скучного миллиарда лет». Как видите, Земля – настоящий долгожитель.

 

Самая длинная зима

 

Возможно, наша планета так бы и продолжала вести размеренный и спокойный протерозойский образ жизни, если бы около 800 млн лет назад новая тектоническая система не согнала бóльшую часть континентальной коры в один большой материк в экваториальной зоне. Геологи называют этот древний суперконтинент Родинией, от русского слова «родина». Как и все континенты, Родиния была лишь врéменной структурой и примерно 750 млн лет назад в результате рифтогенеза начала распадаться на части, что привело к образованию в тропических широтах новых протяженных береговых линий. Реки, питаемые мощными тропическими ливнями, несли осадочный материал и вымываемые из горных пород химические элементы в море, насыщая прибрежные воды питательными веществами и тем самым создавая условия для бурного роста микроорганизмов. Впервые в истории планеты изъятие органического углерода и его захоронение в осадках на континентальных шельфах достигло таких объемов, что привело к резкому снижению концентрации СО₂ в атмосфере – и запустило процесс глобального похолодания.

В полярных регионах начали разрастаться нетающие ледяные шапки, которые увеличивали альбедо, или отражательную способность поверхности Земли, что, в свою очередь, способствовало ее дальнейшему охлаждению – классический пример положительной обратной связи. Несмотря на расширение ледникового покрова, углекислый газ продолжал в больших количествах выводиться из атмосферы через захоронение органического углерода и интенсивное химическое выветривание горных пород в низкоширотных регионах Родинии (посредством того же механизма Гималаи сократили концентрацию атмосферного СО₂ и способствовали охлаждению Земли в кайнозое). Когда площадь ледникового покрова достигла критической точки, эффект альбедо вверг планету в состояние вечной зимы, превратив ее в «снежный ком».

Что именно произошло с Землей в криогении – одном из немногих периодов протерозоя, который упоминается довольно часто, – вызывает в геологическом сообществе жаркие споры. Нет лишь разногласий по поводу того, что в климатической системе планеты произошел серьезный сбой. Это ясно подтверждается геологической летописью: практически на всех континентах породы того периода представляют собой ледниковые (гляциальные) отложения – либо несортированную смесь глинистого вещества с валунами различных пород, оставленную ледником на суше, либо тонкослоистые морские отложения, перемежающиеся с окатанными обломками пород, принесенными айсберговым рафтингом (разносом). Поскольку значительная часть воды была превращена в лед, уровень моря должен был снизиться на десятки метров, обнажив обширные участки континентов для эрозии, которая продолжалась по крайней мере до тех пор, пока не наступила глубокая ледниковая эпоха и все поверхностные процессы не приостановились. Великое несогласие, наблюдаемое в Большом каньоне, между метаморфическими протерозойскими породами, такими как сланцы Вишну, и первой стратифицированной единицей – кембрийским песчаником Тапитс – отражает длительный перерыв в осадконакоплении в тот период, когда Земля была «снежным комом». Таким образом, если наступление резкого похолодания в конце протерозоя является общепризнанным фактом, то его конкретные детали – глубина промерзания, выживание биосферы и то, каким образом Земля вышла из гипотермического состояния, – служат предметом горячих научных споров.

 

Весна жизни

 

В конце концов Земля снова начала нагреваться. Возможно, ей помогло дыхание вулканов, которые продолжали извергаться, в то время как другие геологические процессы остановились, и понемногу, за тысячи лет, вулканы вывели Землю из ледяной комы. Или же внезапная взрывная «отрыжка» давно секвестрированного биогенного метана с морского дна превратила ледяную планету в парник всего за несколько месяцев или лет. Уровень разрешения геологической летописи и точность существующих методов датирования пока не позволяют нам узнать такие детали.

В любом случае окончание периода «снежного кома» было ознаменовано тем, что можно было бы назвать Великой аэрацией, когда произошел второй большой скачок в повышении уровня свободного кислорода и формировании четвертой – современной – атмосферы Земли. Кислородчувствительные микроэлементы в осадочных породах наконец‑то стали вести себя по‑современному, что свидетельствует о возрастании концентрации свободного кислорода (O₂) с доли процента до почти близкой к нынешней. К сожалению, нам неизвестны подробности, как именно произошел этот переворот в стабильном квазиоксигенированном протерозойском мире. Возможно, массированный приток в океаны фосфора из раздробленного и перетертого материала горных пород, измельченных движущимися ледниками, привел к взрывному росту морской жизни[77]. Или же интенсивное смешивание верхних и глубоких слоев воды в океанах в переходный период между ледниковым и парниковым миром нарушило устойчивую геохимическую стратификацию, преобладавшую на протяжении 1,5 млрд лет.

Благодаря даже небольшому повышению концентрации кислорода организмы, использовавшие его в своих метаболических процессах, значительно повысили эффективность извлечения энергии из окружающей среды и получили возможность вырастать до гораздо бо́льших размеров, чем когда‑либо прежде. В пределах миллиона лет после того, как Земля перестала быть «снежным комом», она была заселена необычной новой экосистемой мягкотелых макроскопических организмов, называемой эдиакарской биотой (или эдиакарской фауной). Эдиакарские (вендские) окаменелости найдены в осадочных отложениях в разных частях мира, в том числе в Южной Австралии, регионе Белого моря в России, графстве Лестершир в Англии и на острове Ньюфаундленд в Канаде. Это были необычные создания, похожие на стеганое одеяло, по форме напоминающие либо летающие диски фрисби, либо листья папоротников высотой до 1 м с прицепкой, с помощью которой они прикреплялись к морскому дну. Отсутствие у них кишок и минерализованных раковин свидетельствует о том, что они обитали в мирном подводном царстве, где преобладал осмотический способ питания и не было угрозы хищничества. Некоторые из этих организмов могли быть предшественниками более поздних и знакомых нам типов примитивных морских животных, таких как плеченогие (или брахиоподы). Но большинство представителей эдиакарской фауны, судя по всему, были результатом ранних эволюционных экспериментов по созданию макроскопических – многоклеточных – форм жизни и не оставили после себя потомков среди современных типов животных.

Но эдиакарские организмы недолго пребывали в эволюционном авангарде. В течение следующих 40 млн лет на морском дне развернулась интенсивная анатомическая перестройка, известная как кембрийский взрыв. Появление первых плотоядных запустило гонку вооружений между хищниками и их жертвами, которые с тех пор старались перехитрить друг друга, как Хитрый койот и Дорожный бегун^{11}. Жесткие защитные оболочки из карбоната кальция стали обязательной экипировкой для крошечных существ, которые легко могли стать жертвами, тогда как крупные хищники обзаводились специализированным плавательным снаряжением и приспособлениями для убийства.

Впрочем, темпы эволюции в ходе кембрийского взрыва вызывают некоторые разногласия, сталкивая лбами палеонтологов и биологов, использующих геномный подход для определения того, когда на древе жизни появились те или иные ветви. Палеонтологическая летопись на основе окаменелостей предполагает, что промежуток времени между 540 и 520 млн лет назад был периодом беспрецедентных по своей скорости и разнообразию биологических инноваций. Однако эта гипотеза расходится с данными молекулярных часов – так называется метод датирования филогенетических событий, основанный на предположении