Текст книги "Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед"

Автор книги: Дж. Д. Магдугалл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 19 страниц)

Одной из проблем, тормозивших понимание происхождения жизни, является то, что нам почти ничего определенно не известно об обстановке возникновения жизни. Можно делать только правдоподобные оценки. Например, на протяжении довольно долгого периода после своего образования, продолжительностью, вероятно, около нескольких сот миллионов лет, поверхность Земли должна была быть гораздо горячее, чем в наши дни. Продолжавшиеся удары метеоритов, больших и малых, приносили дополнительную тепловую энергию, а в самый ранний период истории Земли падение более крупных тел могло пробивать еще охлаждающуюся тонкую кору и выводить на поверхность лежащий ниже расплавленный материал. При прорывах лавы на поверхность в атмосферу поступали большие количества вулканических газов, создавая так называемый парниковый эффект в гораздо большей степени, чем в результате человеческой деятельности. Вполне возможно, что атмосфера Земли была в те времена во много раз плотнее, чем теперь, и что моря и океаны были горячими. Некоторые ученые даже предполагают, что по причине высокого атмосферного давления температура морей и океанов превышала температуру кипения воды при современном атмосферном давлении – настоящая кастрюля-скороварка. Но жизнь – та, которую мы знаем, – весьма чувствительна к температуре окружающей среды, и нам неизвестны современные организмы, которые могли бы существовать при температуре намного выше 100 градусов Цельсия. Невероятно, чтобы

жизнь утвердилась па планете до того, как температура поверхности не снизилась до этого уровня или даже ниже. Хотя нам неизвестен точный состав ранней земной атмосферы, в последнее время достигнут немалый прогресс в этом направлении, вполне позволяющий сказать с некоторой определенностью, что богатый метаном состав, который предполагал Опарин, и метано-аммиачно водородная смесь, которая была использована Миллером в его экспериментах, являются, вероятно, не очень реалистичными моделями. На основании изучения наших ближайших соседей, Марса и Венеры, а также с учетом данных, полученных в результате изучения осадочных пород Земли, ученые полагают, что первоначальная атмосфера Земли была богата углекислотой, а не метаном. Как на Марсе, так и на Венере СO2 является, по-видимому, преобладающим газом в составе их атмосфер. На Земле он является второстепенной составной частью. Но огромное количество его, погребенное в составе осадочных пород земной коры, достаточно для того, чтобы в случае его освобождения и поступления в атмосферу состав ее сравнялся бы с составом ближайших к нам планет. Каким же образом СO2 оказался связанным в земной коре? Ответ заключается в том, что геологи называют углеродным циклом. В результате ряда химических реакций углекислота переходит из атмосферы в океаны в растворенной форме. В морской воде она соединяется с кальцием и осаждается в виде окиси кальция, главной составной части известняков, которая забивает водопроводные трубы и образует накипь в чайниках. На протяжении геологического времени в известняки было превращено такое количество углекислоты, что сейчас ее количество в известняках более, чем в 100 000 раз превышает ее общее количество в атмосфере. Значительное количество углекислоты было также извлечено из атмосферы растениями в процессе фотосинтеза, преобразовано в органическое вещество и в конце концов погребено и превращено в уголь, нефть и природный газ. В результате сжигания этих природных ископаемых видов топлива углекислота возвращается в атмосферу и частично обусловливает пресловутый парниковый эффект и глобальное потепление климата.

В атмосфере, богатой углекислотой, метод получения аминокислот с помощью электрических разрядов Миллера – Юри не работает. Если бы первоначальная атмосфера Земли действительно была богата углекислотой, то необходимые для жизни органические вещества должны были образоваться иным способом. Поскольку у нас нет никаких геологических фактов о самых ранних событиях на нашей планете, подробности этого процесса неизвестны и, вероятно, никогда не будут известны. Однако было предложено много правдоподобных идей. Можно предположить, что на Земле, как и в наше время, существовали мириады микросред с различными температурными условиями, разным химическим составом и энергоснабжением. Более того, многие органические соединения, даже аминокислоты, были не раз обнаружены даже в метеоритах. Радиоастрономы выяснили также наличие органических соединений даже в межзвездном пространстве, а исследования кометы Галлея во время ее недавнего наибольшего сближения с Землей показали, что она богата органическим веществом. Можно допустить, что в раннеархейское время многие органические соединения неизбежно должны были поступать на Землю вместе со всем другим падавшим на нее из космоса материалом и при падении рассеивались по всей поверхности Земли. Но жизнь не возникает в развитом виде из таких простых молекул, и ей в своем развитии предстояло сделать гигантский шаг от этих соединений до производства сложных полимеризованных макромолекул и химических систем, способных самовоспроизводиться, репродуцировать самих себя. Различные пути развития, которые могли бы привести от примитивных органических соединений к началу жизни, сейчас активно исследуются химиками; например, одна из линий исследования показывает, что очень важное значение могла иметь химия поверхностных явлений. Возможно, что поверхности естественно встречающихся материалов, как, например, поверхности минеральных зерен, играли роль шаблонов, с помощью которых была возможна организация расположения в пространстве и даже воспроизведение (репликация) сложных молекул. Однако, при отсутствии подробных записей в геологической летописи, все, что мы можем допустить, сводится к тому, что в течение очень длительного промежутка времени химические реакции между все более сложными молекулами в конце концов привели к образованию соединений и структур, способных репродуцировать самих себя, – и вот здесь-то и началась жизнь.

На какой-то очень ранней стадии этого процесса появились мембраны – тонкие перепонки или оболочки, состоящие из органических молекул, которые позволили некоторым из этих органических молекул концентрироваться и накапливаться в ячейках среды, слегка отличающихся от частей ее, находящихся по ту сторону мембранной оболочки, – короче, таким образом возникли первые примитивные клетки. В сущности, самыми первыми конкретными данными о возникновении жизни, которыми мы располагаем, древнейшими ископаемыми остатками являются крохотные сохранившиеся клетки, напоминающие современных бактерий. Эти объекты обнаружены в архейских осадках, имеющих возраст около 3,5 миллиарда лет.

ПОЧЕМУ ЭТО ЗАНЯЛО СТОЛЬКО ВРЕМЕНИ?

Хотя 3,5 миллиарда лет – это очень долго по любым стандартам, стоит вспомнить, что речь идет о времени спустя один миллиард лет после возникновения Земли. Более чем пятая часть всей земной истории уже прошла. Одной из причин отсутствия распознаваемых органических остатков старше 3,5 миллиарда лет является тот факт, что сохранилось очень мало пород старше этого возраста, а старше 3,9 миллиарда лет – и вовсе никаких. Кроме того, все существующие раннеархейские породы прошли через несколько эпизодов метаморфизма, которые могли уничтожить в них всякие следы жизни, если они и были. Тем не менее существуют намеки на то, что живые организмы могли существовать значительно раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад. Признаки этого содержатся в древних, имеющих возраст 3,8 миллиарда лет осадочных породах из Западной Гренландии, которые упоминались в предыдущей главе. За свою долгую жизнь эти осадки были погребены на большую глубину, подверглись сильному нагреванию и метаморфизму и в конце концов снова оказались поднятыми и эксгумированными, так что сегодня они снова оказались на поверхности. Их первоначальный облик был в значительной степени стерт, и в них отсутствуют явные ископаемые остатки живых организмов. Однако они все же содержат зерна графита – чистого углерода, вещества жизни и карандашных грифелей. Возможно, конечно, что этот углерод возник неорганическим путем, но более вероятно, что это остаток, реликт соединений, образованных организмами. Гренландская находка не является уникальной – графит встречается в архейских породах и во многих других частях света.

Однако 3,8 миллиарда лет назад – это больше чем 700 миллионов лет после возникновения Земли. Последние 700 миллионов лет земной истории охватывают фактически весь ход эволюции, от одноклеточных организмов до китов, кенгуру и человека. Многие ученые считают, что все необходимые шаги для возникновения жизни – образование простых органических молекул из составляющих, имевшихся в первых океанах и атмосфере, полимеризация этих молекул и реакции между ними, ведущие к образованию более сложных форм, и наконец возникновение репликации (самовоспроизведения) – все это могло произойти за относительно короткий период времени, вероятно, за 10 миллионов лет или меньше. Но если это так, почему мы не имеем более ранних признаков существования жизни? Неужели действительно для возникновения жизни потребовался чуть ли не миллиард лет?

Мы уже отмечали, что самые древние породы Земли за свою долгую жизнь неизбежно подвергались нагреванию и всякого рода деформациям, что большая часть признаков их первоначального состояния оказалась стертой, и что даже если бы жизнь возникла вскоре после того, как образовалась Земля, может оказаться, что у нас просто нет сохранившихся ее следов. Но есть также основания полагать, что жизнь могла взять и медленный старт. Это связано с тем фактом, что юная Земля бомбардировалась материалом из космоса.

Хотя каждый год на Землю падают десятки тысяч мелких метеоритов, изредка в нее врезаются и гораздо более крупные тела. Так, огромный, диаметром в целую милю, метеоритный кратер в штате Аризона, в ясный день представляющий собой великолепное зрелище для пассажиров, прилетающих и улетающих из южной Калифорнии, образовался в результате падения метеорита умеренных размеров, который врезался в Землю около 50 000 лет назад. В 1908 году упавшее на Землю тело, взорвавшееся над отдаленной областью Сибири, представляло собой небольшую комету. Взрыв ее повалил леса на большой площади и создал взрывную волну, которая была отмечена на сейсмографах в Западной Европе, за тысячи километров от места падения. Интуитивно легко понять, что в ранний период истории Земли падение таких естественных космических обломков на Землю должно было происходить в гораздо более крупных масштабах. Ведь в конце концов наша планета образовалась из скопления вещества, рассеянного вдоль орбиты вокруг Солнца, и даже когда это скопление достигло приблизительно нынешнего размера планеты, в ее окрестностях все еще оставалось много материала, падавшего на нее впоследствии. Однако несмотря на эти очевидные доводы, только после получения надежных данных в результате экспедиций на Луну космических кораблей серии «Аполлон» геологи стали осознавать важную роль, которую должны были играть падения на Землю космических тел. Впечатляющие фотографии того, как обломки кометы Леви – Шумейкера 9 падают в атмосферу Юпитера, вызвав возмущения в областях этой планеты размером с Землю, сделанные летом 1994 года, только подчеркнули важность подобных событий в истории Земли.

Луна, как можно видеть через сильный бинокль, имеет щербатую поверхность. Одно время думали, что многие из ее «оспин» вулканического происхождения, но сейчас установлено, что почти все они являются результатом столкновения с метеоритами. Размер кратеров колеблется от больших круглых «бассейнов», образующих темного цвета «моря» (как выяснилось, название это ошибочно), имеющих в диаметре до 1000 километров и более, до микроскопического размера щербинок на образцах пород, привезенных на Землю астронавтами. Одним из многих важных результатов исследования Луны является определение скорости увеличения числа этих кратеров. Никто не удивился, когда выяснилось, что скорость появления кратеров на Луне оказалась гораздо выше на ранних этапах ее истории, чем теперь. Самые крупные кратеры, которые сейчас заняты «морями», являются и самыми древними. Диаграмма на рис. 3.1 показывает, как резко падала скорость появления новых кратеров в течение жизни Луны.

Луна – маленькая планета, которая быстро остыла и в течение миллиардов лет находилась в состоянии геологического покоя. На ней нет вулканов и не бывает землетрясений. Нет на ней и атмосферы, которая могла бы быть причиной выветривания или эрозии. По существу на ней отсутствуют такие геологические процессы, которые постоянно работают на Земле, стирая с ее лица следы геологических событий. В результате этого Луна сохранила массу данных о своей первоначальной истории. Эти данные показывают, что Луна возникла приблизительно в то же время, что и Земля, и что практически все лунные кратеры старше 3,9 миллиарда лет, как и многие более молодые, были сильно переработаны в результате мощных бомбардировок падающими метеоритами. Самые древние части лунной поверхности полностью покрыты ударными кратерами. Если кривую, показанную на рис. 3.1, экстраполировать в сторону ранней истории Луны, то мы увидим, что наш ближайший сосед подвергался в то время безжалостной бомбардировке из космического пространства. Если Луна так интенсивно бомбардировалась из космоса в ранний период своей истории, то ее ближайшая соседка Земля, гравитационное притяжение которой было во много раз больше, чем Луны, претерпела гораздо более серьезное воздействие.

Рис. 3.1. Плотность кратеров в различных частях лунной поверхности измерялась по фотографиям, снятым с космического корабля, вращающегося по орбите вокруг Луны. Некоторые из этих регионов посещались космонавтами во время экспедиций серии «Аполлон». Во время этих высадок были отобраны образцы горных пород, которые были затем доставлены на землю, где был определен их возраст. Этот график составлен на основе полученной таким образом информации и показывает, что первоначальная Луна – по аналогии и в силу близости, – и Земля – подвергались очень сильной бомбардировке. Точки на кривой соответствуют фактическим численным данным.

Какие последствия эти бомбардировки должны были иметь для ранней жизни, только что появившейся на Земле? Вероятные воздействия наиболее крупных из падавших небесных тел относятся, по-видимому, к области научной фантастики, но в реальной действительности в течение раннего периода земной истории они происходили неоднократно. Столкнувшееся с Землей тело диаметром около 400 километров, то есть размером с крупный астероид из числа образующих теперь так называемый астероидный пояс, испарилось бы само и превратило в газ значительную часть земной поверхности, выбросив в атмосферу гигантский вулкан испарившихся и расплавленных пород. Часть этих обломков была бы выброшена в космос, но большая часть оказалась бы рассеянной по всей земной поверхности, вызвав нагрев до высоких температур как атмосферы, так и пород, слагающих поверхность. Весьма вероятно, что под воздействием такого количества тепла все существовавшие тогда океаны испарились бы. Огромное количество воды, выброшенной в атмосферу, радикально замедлило бы процесс охлаждения планеты после столкновения, поскольку вода создает парниковый эффект даже более интенсивно, чем двуокись углерода. Поверхность Земли оказалась бы полностью стерилизованной, и любые формы примитивной жизни, существовавшие до столкновения, почти без сомнения, были бы стерты с лица Земли.

Даже менее грандиозные столкновения имели бы радикальные последствия. Бассейн Имбриум, крупнейшая структура на лунной поверхности ударного типа, образовалась в результате падения тела диаметром около 100 километров. Имбриум частично окружен кольцом гор высотой около 5 километров. Место посадки космического корабля «Аполлон-15» находилось у подножия горной цепи Апеннин, являющейся частью этого кольца. Образцы, привезенные на Землю участниками этой экспедиции, а также другие данные показывают, что эти Апеннины совсем не похожи на любые горные хребты на Земле. Это просто огромные груды обломков, часть которых была выброшена взрывом, образовавшим структуру Имбриум. Равноценный по мощности взрыв на Земле превратил бы в пар огромную массу горных пород, создал бы огромный кратер, вызвал бы гигантские морские волны и, вероятно, привел бы к испарению по крайней мере поверхностных слоев океанов. При этом жизнь на суше или в поверхностных слоях океанов была бы неизбежно уничтожена.

Кроме тела, образовавшего бассейн Имбриум, известен по крайней мере еще один объект диаметром порядка 100 километров, который упал на Луну в первые 600-700 миллионов лет ее существования. Таким образом, существует высокая вероятность того, что в этот же период еще более крупные тела и в еще большем количестве сталкивались с Землей, а это открывает интересную возможность того, что возникновение живых организмов из простых органических молекул происходило на Земле неоднократно, прерываясь стерилизующим воздействием мощных взрывов от падения гигантских тел. Химики и биологи находят достаточно трудной задачу реконструкции шаг за шагом процесса возникновения жизни даже в спокойной обстановке. Принимая во внимание периодически происходившие на ранней Земле бурные события, неудивительно, что процесс возникновения жизни должен был быть медленным и спорадическим.

Частые и крупные столкновения Земли с небесными телами могут также дать ответ и на другую загадку. В предыдущей главе было отмечено, что если Солнце развивается по тому лее пути, что и большинство звезд его размера, то в самом начале истории Земли оно было еще слишком слабым, чтобы поддерживать воду на поверхности Земли в жидком состоянии. Расчеты показывают, что если бы вся вода, имеющаяся на поверхности Земли, хотя бы один раз полностью замерзла, то ее трудно было бы снова растопить, даже если бы Солнце нагрелось. И все же описанные выше периодические столкновения Земли с крупными телами вызывали бы ее периодическое размораживание, препятствуя постоянному глубокому промерзанию земных вод прежде, чем излучение солнечной энергии в космос возросло до его нынешнего уровня.

ДРЕВНЕЙШИЕ ИСКОПАЕМЫЕ ОСТАТКИ

Самые древние ископаемые остатки живых существ имеют возраст 3,5 миллиарда лет. Они найдены в осадочных породах северо-западной Австралии и представляют собой микроскопические одноклеточные организмы, похожие на бактерий, которые очень напоминают современную группу, известную под названием цианофитов, или сине-зеленых водорослей. Эти остатки имели форму ниточек, образованных цепочкой соприкасающихся друг с другом клеток, как показано на рис. 3.2. Породы, в которых они встречаются, представляют собой тонкослоистые осадки, сложенные главным образом кремнем или кварцитом (тонкозернистый агрегат зерен кварца), который, по-видимому, был отложен в мелководной среде, возможно в лагуне. Несмотря на свою простоту, эти ископаемые обнаруживают значительное разнообразие своей морфологии, что позволяет предположить, что образовались они задолго до отложения этого конкретного осадка.

Рис. 3.2. Зарисовка одного из древнейших окаменевших остатков когда-либо найденных организмов: нитеподобная бактерия из осадочных пород северо-западной Австралии, возраст – 3,5 миллиарда лет. Набросок сделан по фотографиям, полученным с помощью микроскопа. Перерисовано с рисунка 1.5.5 (А), стр. 31, из книги Дж. В. Шопфа «Протерозойская биосфера», под ред. Дж. В. Шопфа и С. Клайна. Изд-во «Кэмбридж Юниверситет Пресс», 1992. Печатается с разрешения.

В архее бактерии неоспоримо господствовали в океане. По существу от их первого появления и до конца архейской эры миллиард лет спустя никакие другие остатки живых существ до нас не дошли. Как нам хорошо известно, бактерии все еще сосуществуют с нами, занимая все вообразимые ниши на нынешней Земле. Они с нами и в наших болезнях, и когда мы здоровы, способствуют всякой заразе и ферментации вина. Трудно представить себе мир без бактерий.

Бактерии – одноклеточные организмы, но их клетки не содержат ядер и многих других внутренних структур, свойственных позднейшим, более развитым формам жизни. В современном мире некоторые бактерии используют солнечную энергию, осуществляя фотосинтез, при этом выделяя кислород. Другие бактерии для своего роста и самовоспроизведения используют совершенно иные виды химических реакций. Когда именно в истории жизни развился фотосинтез – противоречивая и сложная проблема, поскольку именно он явился решающим фактором в эволюции атмосферы от преобладающей углекислоты до чего-то более близкого к нынешнему воздуху, богатому кислородом и пригодному для дыхания.

В породах, появившихся менее, чем через 100 миллионов лет после этих, содержащих первые нитеподобные микроскопические остатки, живых существ, появляются остатки гораздо более крупных организмов, которые легко видеть невооруженным глазом. Они представляют собой своеобразные луковицеобразные структуры, напоминающие очень большие расслоенные кочаны капусты, достигавшие высоты нескольких метров. Но вид их обманчив. Эти объекты, называемые иногда строматолитами, представляли собой не один организм, а скорее колонии бактерий. Они состояли из отдельных клеток цианобактерий, подобных клеткам самых ранних ископаемых бактерий.

Ископаемые строматолиты становятся все более распространенными в более молодых осадочных породах; в конце архея и в течение последующей протерозойской эры они становятся совершенно обычными и весьма заметными. Их своеобразная форма обусловлена тем фактом, что они вырастали слой за слоем в виде бактериальных циновок или пленок, которые захватывали песок и распределяли зернистый материал в своих клейких волоки истых прядях. Несмотря на факт принадлежности к древнейшим из известных ископаемых остатков, строматолиты все еще живут и в наши дни в виде колоний живых организмов, хотя они далеко не так распространены, как в протерозое. Они растут в тропической обстановке на мелководье, что позволяет сделать вывод, что древнейшие строматолиты, которые встречаются в окаменелом виде в архейских породах, росли в прибрежных регионах архейских материков.

Колонии цианобактерий, которые сегодня образуют строматолиты, живут фотосинтезом. Хотя это и не доказывает, что их архейские предки также жили фотосинтезом, это все же указывает на то, что уже приблизительно 3,5 миллиарда лет назад фотосинтез мог установиться на Земле. Тем не менее, непохоже на то, что даже в конце архейской эры земная атмосфера содержала много кислорода. Это положение, как мы увидим в следующей главе, начало меняться уже в начале протерозойской эры.

Некоторые важные события протерозоя. Время в миллиардах лет до нашего времени.

Глава 4.

ПРОТЕРОЗОЙСКАЯ ЭРА

Как и архей, протерозойская эра длилась почти два миллиарда лет. К ее концу почти девять десятых из 4,5 миллиарда лет истории Земли уже прошли. Хотя о протерозое мы знаем значительно больше, чем об архее, наши данные все еще очень неполны, особенно в отношении начального периода. Однако протерозойские породы распространены сравнительно широко, особенно в сравнении с породами архея. Мы знаем по найденным в ним остаткам, что строматолиты стали очень распространенными, что содержание кислорода в атмосфере увел {шилось и что, как и в наше время, поднимались и затем разрушались горные хребты. Мы даже знаем немного о климате протерозоя. Каковы же источники всей этой информации? Вероятно, настало время рассмотреть некоторые способы, с помощью которых геологи читают записи, имеющиеся в горных породах, пользуясь образцами из протерозоя.

Одним из фундаментальных понятий в науках о Земле является принцип актуализма. Это слово означает то, о чем говорит. В учебниках смысл этого понятия часто передают фразой: «настоящее есть ключ к прошлому». В сущности, в понимании этого принципа геологические науки не стоят особняком. Эта фраза просто подчеркивает тот факт, что геологическими процессами управляют те же самые законы физики и химии, а описывают их те же математические законы и модели, как и все в природе. Если на обнажившейся поверхности песчаника возрастом в 300 миллионов лет мы видим следы ряби, похожие на те, что образуются и в наше время на прибрежном песке, то вполне вероятно, что этот песок был отложен в такой же обстановке. Хотя принцип актуализма может показаться очевидным, в свое время он являлся революционной идеей. Шотландский геолог Хаттон первым применил его систематически в своих исследованиях. Этот принцип имел своих противников, но если его применять, опираясь на здравый смысл и с учетом огромности геологического времени, то он служит геологии хорошо. Даже события, которые с человеческой точки зрения являются редкими или катастрофическими, как, например, наводнения, происходящие раз в столетие, или катастрофическое землетрясение, или даже падение большого метеорита, являются на самом деле закономерно повторяющимися, периодическими или до некоторой степени предсказуемыми на геологической временной шкале. Мы узнали, что древнейшая атмосфера Земли была богата углекислым газом и что даже в конце архея атмосфера содержала очень мало кислорода. Но породы, сохранившиеся от протерозоя, рассказывают нам уже другую историю, и до чего же она увлекательна! Подробно изучая эти породы и в то же время принимая во внимание принцип актуализма, геологи могут реконструировать по крайней мере некоторые этапы развития современной атмосферы.

ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Свидетельства об изменяющемся составе атмосферы, содержащиеся в породах протерозоя, позволяют предполагать, что в течение этой эры происходило резкое возрастание концентрации кислорода. Мы знаем, что содержание его в современной атмосфере, поддерживаемое процессом фотосинтеза, протекающим в растениях, равно 21 объемному проценту, и понятно, что колебания уровня его содержания в прошлом были неразрывно связаны с историей жизни на Земле. Ниже мы рассмотрим интересные и неожиданные последствия изменений содержания кислорода в атмосфере – например, в отношении добычи железной руды для наших металлургических заводов. Особенностью некоторых протерозойских осадочных пород, возраст которых превышает приблизительно два миллиарда лет, является то, что они содержат такие минералы, как пирит (называемый иногда «золотом дураков») и уранинит. По своему химическому составу пирит представляет собой сульфид железа, FeS2, а уранинит, как вы можете догадаться, есть минерал урана. В некоторых местах концентрация уранинита в породах протерозоя настолько велика, что его можно добывать в качестве урановой руды. Сами по себе находки этих минералов не являются чем-то выдающимся – их находят также и в породах другого возраста. В особое положение раннепротерозойские пирит и уранинит ставит тот факт, что они встречаются в осадках, которые были первоначально отложены в условиях речных русел и морских пляжей. Тщательное исследование показало, что сами минералы представляют собой угловатые зерна, извлеченные процессом эрозии из какой-то материнской породы и перенесенные к месту их отложения текучей водой. Однако ни уранинит, ни пирит не встречаются в такой обстановке в наше время, поскольку в присутствии кислорода они неустойчивы. За очень короткое время они окисляются и разрушаются. По-видимому, те реки или потоки, в которых эти зерна переносились к месту их отложения, как и современные потоки, находились в контакте с протерозойской атмосферой. Принцип актуализма подсказывает, что атмосфера раннего протерозоя отличалась от современной. Очевидный ответ состоит в том, что атмосфера содержала тогда так мало кислорода, что как уранинит, так и пирит могли сохраниться в виде угловатых зерен, не подвергаясь окислению. Эти минералы больше не встречаются в отложениях водных потоков моложе приблизительно двух миллиардов лет, что указывает на то, что в это время содержание кислорода в атмосфере начало повышаться.

Возможно, хотя и маловероятно, что зерна урана и пирита сохранились, избежав окисления, благодаря какому-то пока еще неизвестному механизму. Но существует еще по крайней мере два указания в протерозойских породах, которые также заставляют нас предположить, что земная атмосфера имела низкое содержание кислорода до эпохи, отстоящей от нас приблизительно на два миллиарда лет. Одно из них связано с добычей железа.

Большая часть мировых запасов железной руды заключена в месторождениях, известных под названием полосчатых железных руд, или сокращенно ПЖД. Эта руда встречается в осадочных породах, но собственно месторождения сложены полосчатыми породами с характерным чередованием тонких слоев, богатых железом, и слоев, богатых кремнием. Богатые железом слои имеют гораздо более темный цвет, чем богатые кремнием, и придают месторождению его чрезвычайно характерный полосатый облик. Большая часть запасов мировых полосчатых железных руд содержится в отложениях раннего протерозоя, возраст их немногим больше 1,8 миллиарда лет.

Понимание значения ПЖД как показателей содержания кислорода в атмосорере требует некоторого представления о химическом поведении железа, которое сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Металлическое железо, как хорошо знает всякий владелец

автомобиля, очень быстро взаимодействует с кислородом, образуя ржавчину. Но в обычных горных породах земной коры железо в форме металла не встречается. В основном оно существует в виде одного из двух ионов разной валентности (или в двух состояниях окисления); то есть Fe2+ или Fe3+, и в соединении с другими элементами, образуя типичные минералы, встречающиеся в обычных породах. В изверженных породах, большая часть которых является результатом расплавления пород мантии, основная масса железа находится в более низком состоянии окисления, или в виде иона Fe2+. Однако, когда эти породы подвергаются воздействию дождевых вод, некоторая часть этого железа растворяется в воде и, благодаря высокому содержанию кислорода в атмосфере, быстро окисляется до Fe3+. (Однако, когда эти породы подвергаются выветриванию в результате воздействия дождевой воды, часть этого железа растворяется, а высокое содержание кислорода в атмосфере очень быстро вызывает его окисление до Fe3+.) Но Fe3+ является почти нерастворимым в воде, вследствие чего железо очень быстро осаждается в виде тонкозернистого, похожего на ржавчину вещества, оставляющего красноватые пятна на дне ручьев или иных водоемов, где оно собирается. В результате этого все природные воды на сегодняшней Земле содержат очень мало железа в растворенном виде. С другой стороны, если бы содержание кислорода в атмосфере было значительно ниже, то ионы Fe2+ не окислялись бы и те же самые воды могли бы содержать гораздо больше растворенного железа, поскольку Fe2+ гораздо более растворим, чем Fe3+.