Член-корреспондент РАН М. А. Федонкин,
Палеонтологический институт РАН, Москва
«Химия и жизнь» №6, 2003
- Живое из камня и металла?
- Обеднение биосферы
- Рост биологической сложности
- Происхождение эукариот: мнение палеонтологов...
- ...и молекулярных биологов
- Скрытая эволюция и взрыв жизни
Обеднение биосферы
В горячей и бескислородной водной среде раннего архея многие металлы были высокоподвижными и доступными для биохимических реакций. Однако необратимые процессы в ранней истории Земли привели к геохимическому обеднению гидросферы и атмосферы. Большая часть тяжелых металлов была перемещена гравитационным путем к центру планеты еще на ранних стадиях ее формирования (период, известный под названием «железной катастрофы»). По разным оценкам, к концу архея (2,6 млрд лет назад) более 60% массы металлического ядра было уже сформировано, и магнитное поле Земли стало вполне эффективным.
Убывание радиогенного тепла, а также уменьшение вклада удаляющейся Луны в механический разогрев недр снижали вулканическую активность и как следствие — объем химических элементов, поступающих в биосферу. Светимость Солнца в раннем архее была невысокой, на 30% ниже современной, но биосфера оставалась горячей из-за парникового эффекта. Существенными компонентами плотной атмосферы ранней Земли были углекислый газ и более мощные парниковые газы, например водяной пар или метан, который по способности поглощать инфракрасную часть солнечного спектра в 60 раз превосходит СО2.
Концентрация парниковых газов в атмосфере начала снижаться в значительной степени из-за активности биоты. Первичная жизнь потребляла эти газы напрямую (бактерии-фотосинтетики поглощали СО2, биогенный углерод захоранивался в осадке), а кроме того, косвенно способствовала их удалению (окисление метана биогенным кислородом). Однако эти механизмы могли работать лишь при условии, что площадь стабильных континентальных плит увеличивается. Максимум роста площади континентов (около 60%) пришелся на интервал 2,7–2,3 млрд лет назад по данным Д. Р. Лауэ (D. R. Lowe, 1994), хотя новейшие исследования отодвигают этот процесс в еще более далекое прошлое (около 3,3 млрд лет назад). Континенты стали ловушкой для огромной массы углерода в составе рассеянного органического вещества, углеводородов, углеродистых и карбонатных пород. В результате снижения парникового эффекта на протяжении архея и протерозоя биосфера остывала. Но не только углерод выводился из атмосферы и гидросферы.
О том, какие огромные массы металлов были выведены из биогеохимического круговорота, свидетельствуют крупнейшие залежи руд осадочного происхождения, включая «вымершие» типы отложений, характерные только для докембрия, — ураноносные и золотоносные конгломераты и сланцы, слоистые железные руды (в том числе джеспилиты), медистые песчаники, свинцово-цинковые минерализации в сланцах и карбонатах, осадочные марганцевые руды и обильные фосфориты. Нередко осадочные руды ассоциированы с углеродистыми отложениями, биоминералами и микрофоссилиями (минеральными псевдоморфозами по клеткам бактерий — своего рода микроскопическими окаменелостями). Это указывает на важную роль биоты в формировании рудных залежей. Все более активно в ходе геологического времени живые организмы накапливали карбонаты.
Еще более яркий пример являет история кремнезема в биосфере. Докембрийский океан был насыщен им настолько, что кремневый гель оседал прямо из воды, формируя обширные слои. Современный океан превратился в «кремневый вакуум» с появлением губок, радиолярий, диатомовых водорослей и силикофлагеллят, использующих кремнезем в качестве скелетообразующего материала.
Но совершенно особое значение имело выведение из активного круговорота тяжелых металлов (W, Co, Ni, Fe), которые отличаются высокими каталитическими свойствами и входят в состав многих ферментов — ускорителей биохимических реакций и подлинных движителей жизни.
А что происходило с веществом, которое стало настоящим символом современной жизни на Земле, — с кислородом? Аноксия глубинных вод и осадка океана вплоть до конца протерозоя, а также низкая активность редуцентов (так называют организмы, которые живут за счет утилизации отмершей органики) способствовали выведению углерода из глобального цикла и росту свободного кислорода в атмосфере. Остывание биосферы, отмеченное редкими оледенениями в конце архея (около 2,9 млрд лет назад), в раннем протерозое (2,2 млрд лет назад) и более частыми и обширными оледенениями — в конце протерозоя (после 750 млн лет назад) и в фанерозое, вызвало повышение концентрации растворенного кислорода в воде, включая глубокие зоны океана, благодаря нисходящим течениям от холодных полярных зон.
Кстати говоря, снижение температуры вод океана действовало в том же направлении, что и химическое обеднение, поскольку скорости химических (и биохимических) реакций могут снижаться в три-четыре раза на каждые 10°C понижения температуры.
Падение концентрации углекислого газа и других вулканических газов в древней атмосфере уменьшало агрессивность метеорных вод и их эффективность в качестве агента выветривания. Таким образом, уменьшался сток биофильных элементов с континентов в океан. Но важно и то, что химический состав объектов выветривания менялся во времени: от ультраосновных к кислым вулканическим породам и далее к осадочным толщам. Чем беднее тяжелыми металлами были эти породы, тем меньше биофильных элементов попадало в океан.
Конечно, существовали и процессы, компенсирующие геохимическое обеднение биосферы, например ускорение выветривания, вентиляция дна океана в течение ледниковых периодов, наконец, ускорение круговорота биофильных элементов. Но они шли с некоторым отставанием и на ранней Земле были менее эффективны, чем в фанерозое.
