ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Красная Земля

 

Фотосинтез и Великое кислородное событие

Возраст Земли: от 1,0 до 2,7 млрд лет

Если вернуться к сегодняшним временам, становится очевидным тот факт, что жизнь необратимо изменила приповерхностную среду Земли, особенно океаны и атмосферу, но горные породы и минералы тоже подверглись трансформации. Потребовалось больше миллиарда лет после появления первой живой клетки, чтобы началось преобразование планеты. За это время новые разновидности микроорганизмов успели создать бурую или красноватую пену в некоторых прибрежных зонах. Могли уже появиться к этому времени и пятна зеленоватой слизи у берегов экватора и в мелких внутренних водоемах – благодаря особо изобретательным клеткам, использующим все новые способы поглощения солнечной энергии. Но материки по-прежнему оставались бесплодными: никакие растения не украшали каменистый ландшафт, никакие животные еще не появились, чтобы питаться этими растениями. Мы бы незамедлительно погибли мучительной смертью в этом лишенном кислорода мире.

Поверхность планеты ко времени геологического полудня изменила свой тускло-серый цвет на кирпично-красный в процессе развития окислительно-восстановительного фотосинтеза и медленного формирования окисляющей атмосферы. Трудно утверждать наверняка, насколько быстро липкая зеленая тина осуществила это преобразование, называемое Великим кислородным событием. Мы можем в лучшем случае гадать об этом по едва заметным изменениям горных пород, которые свидетельствуют о всплеске фотосинтеза вскоре после достижения Землей возраста 2 млрд лет, т. е. 2,5 млрд лет назад. После такого скромного начала события развивались стремительно: ко времени 2,2 млрд лет назад объем кислорода в атмосфере увеличился с нуля до более 1 % от современного уровня, навсегда при этом изменив поверхность Земли.

Загадочная история первоначального насыщения кислородом только начинает привлекать внимание науки, по мере того как открываются все новые данные и свидетельства, которые можно всерьез рассматривать. За последние полстолетия исследование палеоатмосферы сопровождалось множеством различных, порой диаметрально противоположных моделей, но научный подход позволяет отсеивать все несостоятельные и ложные идеи. У нас нет пока полного представления об этом процессе, но мы гораздо ближе подошли к истине, и начинает вырисовываться захватывающая дух (в полном смысле слов) картина.


Свидетельство горных пород

Доказательства существования Великого кислородного события основываются на большом количестве исследований горных пород и минералов, возраст которых охватывает продолжительный период земной истории – примерно от 3,5 до 2 млрд лет. С одной стороны, многие горные породы старше 2,5 млрд лет содержат минералы, которые легко разрушаются от коррозийного воздействия кислорода, что свидетельствует об отсутствии кислорода в окружающей среде в предшествующий этому времени период. Геологи находят невыветренную и округлую гальку пирита (сульфид железа, известный также под именем «золото дураков») и уранинита (самый распространенный из урановых минералов) в древних руслах – местах, где такие минералы в наше время быстро подверглись бы коррозии и разрушению в условиях насыщенной кислородом среды. Древние слои песка тоже отличаются особым химическим составом – необычным избытком таких избегающих контакта с кислородом веществ, как церий, тогда как веществ вроде железа в них поразительно мало по сравнению с современными почвами. Эти химические особенности явно указывают на отсутствие кислорода в той атмосфере.

В противоположность им породы моложе 2,5 млрд лет содержат много однозначных признаков наличия кислорода. В период между 2,5 и 1,8 млрд лет появилось поразительно много массивных залежей оксидов железа, именуемых полосчатыми железистыми формациями. Эти характерные плотные скопления чередующихся слоев черного и красного цвета содержат около 90 % мировых запасов железной руды. В это же время внезапно появились окислы марганца, также в виде многослойных залежей, составляющих большинство основных мировых ресурсов марганцевых руд. В этот же период среди горных пород появились сотни новых минералов – окисленные руды меди, никеля, урана и других пород, – и все это впервые после Великого кислородного события. Однако несмотря на все эти многочисленные минералогические данные, многие специалисты сомневаются, что Великое кислородное событие было таким уж великим на самом деле. Может быть, в атмосфере просто медленно и неуклонно накапливался кислород. Может, свидетельства пятнистых, выветренных камней просто вводят нас в заблуждение.

Явная улика против Великого кислородного события пришла из неожиданного источника – недавно полученные данные по изотопам такого простейшего элемента, как сера. Девяностые годы прошлого века ознаменовались ростом разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометров, рабочих лошадок и главных инструментов анализа изотопов. Новое поколение масс-спектрометров позволило ученым анализировать все более и более мелкие образцы, даже микроскопические зерна минералов или отдельные живые клетки с все более высокой точностью. Одним из самых увлекательных объектов для исследования оказалось такое простое вещество, как сера, поскольку в природе встречается четыре устойчивых изотопа серы: сера-32, сера-33, сера-34 и сера-36. В ядре всех этих изотопов содержится заданное число протонов – 16, а количество нейтронов колеблется от 16 до 20.

Распределение изотопов обычно определяется массой и вполне предсказуемо. Все атомы колеблются, но чем легче изотоп, тем быстрее колебания. Поэтому во всех химических реакциях легкие изотопы вовлекаются активнее, чем тяжелые. Этот селективный процесс носит название «фракционирование изотопов» и происходит всякий раз, когда скопление атомов серы вступает в химическую реакцию, идет ли речь о твердой породе или о живой клетке. Изотоп серы-32 обычно фракционирует больше, чем изотопы массой 34 или 36. Более того, фракционирование обычно соотносимо с массой изотопов: фракционирование серы-36 в серу-32 всегда вдвое превышает фракционирование серы-34 в серу-32. Это физическое явление соответствует непосредственно законам Ньютона: сила, приложенная к массе, придает ей ускорение. Объекты меньшей массы получают большее ускорение, поэтому под воздействием определенной силы сера-32 колеблется быстрее, чем сера-34, которая, в свою очередь, колеблется быстрее, чем сера-36.

Десять лет назад геохимик Джеймс Фаркуар из Университета Калифорнии, работая на живописном побережье Сан-Диего, выявил основательные и неожиданные изменения в распределении изотопов серы в породах, возраст которых превышал 2,4 млрд лет. Более молодые породы и минералы почти всегда демонстрируют ожидаемую зависимость от массы; распределение изотопов серы почти полностью зависит от соотношения их масс. Но Фаркуар с коллегами обнаружил кардинально иное поведение изотопов серы в породах старше 2,4 млрд лет – в некоторых образцах отклонение составляло несколько десятых процента (для этого явления очень большая цифра). Что могло вызвать такое нарушение незыблемых законов Ньютона?

Сообразительные теоретики, поддержанные экспериментальными данными, тут же выдвинули решение, основанное на тонкостях квантовой механики. Под воздействием ультрафиолетового излучения поведение изотопов может отклоняться от идеальной механики Ньютона. Оказывается, изотопы с нечетным массовым числом, например сера-33, могут выборочно подвергаться ультрафиолетовому излучению. Если молекула сернистого ангидрида или сероводорода случайно содержит изотоп серы-33 и сталкивается с ультрафиолетовым лучом (скорее всего, в верхних слоях атмосферы), она может реагировать очень активно. Изотоп серы-33 в таком случае проявляет «независимое от массы фракционирование», что изменяет изотопное отношение.

Но чем вызвано такое внезапное изменение на Земле 2,4 млрд лет назад? Ответ прост: ультрафиолетовые лучи способны поглощать озон, молекулу, состоящую из трех атомов кислорода, которой СМИ уделяют столько внимания в последние десятилетия. В верхних слоях современной атмосферы озон создает естественный барьер на пути смертельно опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Проведенные за последние два десятилетия замеры показывают, что этот верхний слой озона существенно истончился, по-видимому, из-за разрушительных реакций, вызванных такими продуктами промышленного производства, как хлорфторуглероды. (В качестве показательного примера можно привести фреон, некогда применявшийся в кондиционерах.) Озоновые дыры пропускают большое количество канцерогенных ультрафиолетовых лучей. Запрет на производство хлорфторуглеродов как будто способствует быстрому восстановлению озонового слоя.

До появления в атмосфере газообразного кислорода и последующего образования озонового слоя, блокирующего солнечную радиацию, в верхних слоях атмосферы сернистые соединения подвергались безостановочному воздействию ультрафиолетового излучения. В таких суровых условиях соединения, содержащие изотопы серы-33, испытывали независимое от массы фракционирование. После Великого кислородного события кислород в верхних слоях атмосферы вступил в реакцию с некоторыми из таких соединений и почти вытеснил эти нечетные изотопы.

Все лаборатории мира проверяли и перепроверяли находки Фаркуара, и большинство специалистов согласились с гипотезой Великого кислородного события. Если только ученые не обнаружат вместо озона какой-нибудь другой способ защиты от ультрафиолетового излучения, можно считать, что данные об изотопах серы служат точкой отсчета для начала кислородной революции примерно 2,4 млрд лет назад.

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru