«История Земли». Глава из книги

Глава 8. «Скучный» миллиард

Минеральная революция

Возраст Земли: от 2,7 до 3,7 млрд лет

Австралийский геолог Роджер Бьюик, движущая сила сообщества исследователей ранней истории Земли, однажды описал период между палеопротерозойский эпохой (отмеченной Великим кислородным событием ) и неопротерозойской эпохой (время господства ледников, распространившихся по всей планете и обусловивших любопытные направления в развитии жизни) в следующем категорическом выражении: «Мезопротерозойская эпоха — скучнейшее время в истории Земли».

Это, на первый взгляд, ничем не примечательное время, от 1,85 млрд до 800 млн лет назад, и является предметом рассмотрения в настоящей главе. Внушительный промежуток времени, именуемый промежуточным периодом (или более саркастически настроенными учеными-острословами — скучным миллиардом), вроде бы выглядит как эпоха относительного биологического и геологического застоя. Никаких явных драматических преобразований не происходит. Никаких заметных изменений в характере горных пород, крупных потрясений или перепадов климата. Граница между подвергшимися окислению поверхностными слоями океана и бескислородными придонными зонами постепенно опускается все глубже, но принципиально новых форм жизни вроде бы не возникает; не появляется, по всеобщему убеждению, и новых типов ископаемых или разновидностей минералов. По крайней мере такова общепринятая точка зрения.

Но я бы не рискнул называть это время скучным. Однажды я уже совершил ошибку, назвав скучными липиды — богатый и разнообразный класс живых молекул, включающих жиры, жироподобные вещества и воски. Это замечание, сделанное во время лекции и отражающее мою неграмотность в области химической природы липидов, оказалось вдвойне ошибочным. Во-первых, липиды — удивительно разнообразный класс органических соединений. Они играют интересные роли в регулировании химических реакций в живом веществе и в выстраивании его сложнейших наноструктур. Липиды разделяют внутреннюю и внешнюю сторону большинства живых молекул. Без них жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы существовать. Во-вторых, я совершил ошибку, неосмотрительно высказавшись подобным образом в присутствии внимательного химика, дамы без малейшего чувства юмора, чья научная карьера была построена как раз на исследовании липидов. Она совершенно справедливо сделала мне выговор, а затем обрушила на меня гору специальной литературы, дабы восполнить пробел в моем образовании. Во искупление вины я был вынужден прочитать все эти многословные (и очень скучные) труды.

Дело в том, что скука вызывается скорее нашим беспредельным невежеством, чем природной тупостью. Скучный миллиард в истории Земли можно уподобить тому периоду человеческой цивилизации, который называют Темными веками, или ранним Средневековьем, — весьма динамичному времени великих перемен и экспериментов, неумолимых и необратимых изменений, открывших путь к современному миру, но некогда полностью игнорируемых учеными. Наше невежество способно укореняться в нас самих. Честолюбивые молодые ученые, жаждущие утвердиться в науке в короткий промежуток времени между студенческой скамьей и получением докторской степени, вряд ли предпочтут в качестве предмета исследования геологическую эпоху, в течение которой, по всеобщему мнению, ничего особенного не происходило.

Однако геологические пласты того загадочного времени могут преподнести немало сюрпризов проницательному исследователю. Разгадки удивительных трансформаций кроются глубоко в недрах Земли, о которых мы еще так мало знаем. Именно тогда, по-видимому, сформировались некоторые из наиболее ценных пород полезных ископаемых — обширные месторождения свинца , цинка и серебра в Замбии и Ботсване (Африка) на пространстве от Невады до Британской Колумбии (Северная Америка), в Чехии и Австралии. В это же время возникли запасы и таких редких минералов, как бериллий, бор и уран. Появляется все больше данных, подтверждающих, что земные материки именно в течение этого «скучного» миллиарда лет вначале соединились в единственный гигантский континент, потом снова распались и вновь соединились в величественном цикле формирования земной поверхности. Именно за время этого миллиарда лет на мелководье и в прибрежных зонах скопилось огромное количество микроорганизмов — сегодня мы можем лицезреть их в виде хорошо сохранившихся окаменелостей . Иными словами, о «темных Веках» Земли мы можем узнать много нового и интересного.

История перемен

Самое значительное событие в исторической саге Земли произошло спустя примерно пару сотен миллионов лет после того, как планета отметила свой 2,5-миллиардный день рождения. Сгустилось Солнечное газово-пылевое облако, и образовалось Солнце. Пыль вокруг него расплавилась и образовала хондры. Хондры сгруппировались в планетезимали , планетезимали — в Протоземлю и другие небесные тела, диаметром тысячи километров. Столкновение с Тейей и последующее образование Луны, раскаленный океан магмы , загустевшей до черной базальтовой коры, испещренной тысячами действующих вулканов, горячее море, вскоре покрывшее почти всю затвердевшую поверхность, так что из воды торчали лишь конические верхушки вулканов — все эти драматические события произошли за какие-нибудь полмиллиарда лет. Даже в менее бурные 2 млрд лет, проследовавшие за образованием уникального океана Земли, поверхность нашей планеты постоянно менялась, по мере того как на расплавленном базальте формировались граниты , а протоконтиненты вырастали на конвекционных ячейках, управлявших глобальной тектоникой.

Именно в таком динамичном, подвижном мире возникла жизнь, развиваясь и постепенно осваивая производство кислорода. Постоянные перемены стали главной особенностью Земли. Как начинающий скульптор, наша планета лепила свою поверхность вновь и вновь и каждый раз пробовала что-то новое.

Могла ли такая динамичная планета вдруг ни с того ни с сего впасть в длительный застой?

Ответ заключается в том, что никакого застоя на Земле не было и в пресловутый скучный миллиард . Перемены продолжались, хотя и не такие резкие, как гигантское столкновение с Тейей или Великое кислородное событие. «Скучный» миллиард стал свидетелем важных процессов, сформировавших новые горные породы и залежи ценных ископаемых, а также появления множества минералов. Что особенно важно, геологические данные, собранные по всей планете, показывают, что это было время глобальной тектоники, сформировавшей облик Земли, каким мы видим его и по сей день.

Цикл образования суперконтинентов

Привычная география Земли с ее океанами и материками с геологической точки зрения недолговечна. Привычные очертания обеих Америк, Европы и Африки, просторы Атлантического океана; протяженная в восточном направлении Азия; громадный Тихий океан, окаймленный на юге островами и материком Австралии; полярный мир Антарктики — все это лишь геологическое мгновение. Мощный процесс глобальной тектоники не только формирует континенты, но и неустанно передвигает их по планете. Вода и суша вновь и вновь меняют облик.

Группа опытных исследователей взяла на себя труд изучить древнюю географию Земли и составила замечательные, хотя и приблизительные, карты былого и будущего нашей планеты. Они приняли во внимание множество факторов. Например, известно, с какой скоростью и в каких направлениях движутся в наше время континенты. Год за годом расширяется Атлантический океан , Африка явно раскалывается на два материка; мы также с изумлением наблюдаем, как Индия постепенно врезается в Китай , сминая зазубренную линию Гималаев. Конечно, это происходит очень медленно, но неуклонно, 2–3 см в год; однако на протяжении сотен миллионов лет даже движение со скоростью улитки может вызвать гигантские изменения. Можно прокрутить воображаемую видеозапись географии Земли назад и вперед и таким образом представить себе, как меняется капризный лик нашей планеты. Богатый набор окаменелых остатков растений и животных может помочь ученым нарисовать картину планеты, какой она была даже полмиллиарда лет назад, если судить по тому, какими разными путями шла эволюция флоры и фауны на разделенных в пространстве материках. Например, разнообразные сумчатые животные Австралии или бескрылые птицы Новой Зеландии могут рассказать увлекательную историю зоологической изоляции.

Уходя вглубь истории на время 500 млн лет и более, мы замечаем, как картина начинает тускнеть; приходится искать другие путеводные нити. Необычайные подсказки дает нам древний магнетизм, заключенный в вулканических породах. Мы привыкли представлять себе магнитное поле Земли, ориентируясь по направлению север–юг, согласно ориентации стрелки компаса, но на самом деле все гораздо сложнее. Силовые линии магнитного поля Земли пересекают планету под углом, называемым магнитным наклонением. В плоскости экватора наклонение близко к нулю, т. е. почти горизонтально, но на более высоких широтах угол наклонения возрастает, становясь почти вертикальным на полюсах. Точные измерения древнего магнитного поля, застывшего в вулканической породе, дают нам возможность выяснить как ориентацию север–юг, так и широту, на которой находился материк, когда эта порода превратилась в твердь.

Замечательно, что такое трудноуловимое свидетельство показывает, что некоторые породы, ныне расположенные на экваторе, некогда находились поблизости от полюса — и наоборот. Находки в Антарктике окаменелостей , относящихся к древним тропическим лагунам, или обнаружение в экваториальной Африке окаменелостей, характерных для тундры, подтверждают этот вывод. Исследование осадочных пород добавляет существенные данные. В различных средах накапливаются различные виды отложений: на мелководье, на континентальных шельфах, в тундре, озерах ледникового происхождения, в приливно-отливных лагунах и болотах формируются разные типы пород.

Опираясь на эти подсказки, специалисты по палеогеографии составили связную и вполне допустимую картину Земли, какой она была 1,6 млрд лет назад, т. е. в самый разгар скучного миллиарда, а также высказали ряд предположений относительно более древнего периода — времен формирования первых континентов. В переломный момент сдвига тектонических плит на самой линии разлома, где плотные блоки первоначальной базальтовой коры погружались в недра мантии , непотопляемые куски менее плотных гранитных островков нагромождались друг на друга, образуя все более крупные, устойчивые и долговечные участки суши. Эти древние куски того, что впоследствии стало континентами, известны под названием «кратон» (от греч. κράτος — «сила, крепость»).

Кратоны действительно очень прочны; однажды образовавшись, они существуют очень долго. До наших дней на Земле сохранилось не менее трех дюжин более или менее невредимых кратонов, причем некоторым из них исполнилось 3,8 млрд лет, а их размер составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч километров в поперечнике. Эти части разных древних континентов за несколько миллиардов лет пропутешествовали едва ли не через всю планету, причем каждый имеет собственное имя: Слейв и Сьюпириор в Северной Америке, Каапвааль и Зимбабве в Африке, Пилбара и Йилгарн в Австралии. Стиснутые вместе или оторванные друг от друга, наряду с более мелкими обломками древней суши, они сохранились в качестве остатков фундамента древних континентов. Гренландия стоит на трех таких кратонах, а большая часть центральной Канады и северных районов штатов Мичиган и Миннесота включает целый набор. Значительные части Бразилии и Аргентины покоятся на нескольких кратонах, что верно и в отношении больших территорий северной, западной и южной Австралии, Сибири, Скандинавии, крупной части Антарктики, некоторых регионов восточного и южного Китая, большей части Индии и некоторых полос в западной, южной и центральной Африке. Все эти кратоны начали формироваться более 3 млрд лет назад — еще до образования тектонических плит, когда суша составляла лишь незначительную часть земной поверхности. Вот почему кратоны являются очевидцами бурной юности Земли, хотя и слегка помятыми и покоробленными.

Кратоны — это ключи к ранней истории Земли, как розетские камни для археологов. Океанов недостаточно, чтобы расшифровать письмена ранней эпохи земной истории. Благодаря безостановочному конвейеру глобальной тектоники, порождающей, в частности, базальтовую океаническую кору в центрально-океанических хребтах и снова поглощающей ее в зонах столкновения, возраст древнейшего океанского дна не превышает 200 млн лет. Все, что старше, можно обнаружить лишь на континентах, если оно вообще сохранилось.

Странствующие кратоны отличаются удивительно сложной историей. Приводимые в действие движением тектонических плит, они перемещаются, сталкиваясь друг с другом и образуя составные кратоны и суперкратоны, которые, в свою очередь, сбиваются в гигантские пространства суши — континенты или суперконтиненты. Каждое столкновение порождает новую горную гряду вдоль линии соединения кратонов; каждая гряда содержит интереснейшие данные о древней сборке участков суши. Суперконтиненты, в свою очередь, раскалываются и разделяются на самостоятельные материки или острова, омываемые со всех сторон океанами. Каждый раз, когда происходит раскол континента, между расходящимися частями расширяется полоса океана и формируются характерные отложения: сначала песчаники и известняки на мелководье, затем глубоководные глины и глинистый сланец . Именно такая последовательность осадочных пород указывает на раскол континентов. Суперконтиненты соединялись и расходились вновь и вновь. Это напоминает гигантский пазл, и картинка, которую надо сложить, неизвестна, к тому же ее части постоянно меняют свои формы и местоположение.

Что здесь общего со скучным миллиардом? Все. Чтобы представить себе этот период, лишенный явных признаков активности, — без крупных катастроф, без растительности, поскольку разнообразная флора и фауна появятся позднее, — нам следует обратиться к специалистам по палеогеографии. Пытаясь разобраться в деталях головоломки кратонов , перемещавшихся по планете в течение миллиардов лет, эти неутомимые труженики забираются в самые отдаленные уголки планеты, картируют горные породы, собирают образцы, а затем подвергают их мыслимым и немыслимым лабораторным испытаниям.

Ядро каждого кратона составляют древнейшие породы, старше 3 млрд лет. Эти фрагментарные свидетельства древнейшей земной коры в целом составляют скромную долю в общей материковой массе. Они непрестанно подвергаются воздействию тепловой энергии и давления, меняют свой состав, растворяясь в приповерхностных водах, и деформируются при напряжении земной коры. Даже при таких условиях природу первоначальных пород, будь то гранитные вкрапления или осадочные слои, чаще всего можно определить. Более того, нам помогает даже то, что кратоны не остаются в покое. Вся история их существования отмечена пульсацией магмы, когда ее новые всплески расплавляют старые структуры, формируя жилы и гнезда вулканических пород. Новые осадочные месторождения возникают как внутри материка, в реках и озерах, так и вдоль мелководья на песчаных морских побережьях. Отличительные типы и структуры горных пород формируются и во время столкновения или раскола кратонов — событий, для которых характерно движение крупных массивов суши. Тщательное исследование этих более молодых формаций позволяет выделить последовательность формирования горных пород в истории существования кратона. Здесь-то и начинается самое интересное.

Более молодые породы дают подсказку для определения хронологии перемещений кратона . Вулканические породы содержат мелкие кристаллы магнетиков, которые в процессе отвердевания ориентируются по магнитному полю Земли. Тщательные палеомагнитные исследования помогают определить не только направление предшествующих магнитных полюсов севера и юга, но и примерную широту, на которой произошло остывание пород. Эти данные, конечно, не сравнить с координатами GPS, но они позволяют относительно точно фиксировать положение кратонов на временной оси. Исследование осадочных пород позволяет узнать многое о климате и экологии. Осадочные отложения, возникшие в условиях тропиков, значительно отличаются от пород, сформировавшихся в умеренных или ледниковых зонах более высоких широт. Некоторые осадочные породы также включают кристаллы магнетиков, по которым можно определить расположение полюсов.

Чтобы сформировалось даже самое приблизительное представление о меняющемся облике Земли, целые армии геологов тщательно обследуют каждый из трех дюжин кратонов . На это уходят десятилетия трудоемких полевых экспедиций и лабораторных исследований. Данные, собранные по всей планете, сводятся вместе. Затем все кратоны составляются, и получается воображаемый фильм об их странствиях, начиная с географии современного мира и постепенно уходя вглубь прошлого. Чем глубже мы погружаемся в прошлое, тем общая картина неминуемо становится все более расплывчатой и умозрительной. Тем не менее даже то, что удается восстановить, поражает воображение. Согласно современным представлениям, за три последних миллиарда лет Земля претерпела цикл по меньшей мере пяти слияний и расколов суперконтинентов.

Наши познания об истории древнейшей земной суши пока не очень глубоки, и существующие подходы к этому предмету сопровождаются многочисленными разногласиями. Никто не рискует, по крайней мере пока, предложить даже приблизительный набросок карты земной поверхности 3 млрд лет назад, но в одной достаточно обоснованной модели предполагается, что первый в истории Земли континент, называемый Уром, сформировался около 3,1 млрд лет назад из ранее рассеянных частей, сейчас известных как Южная Африка, Австралия, Индия и Мадагаскар. Существует предположение, что еще до того, примерно 3,3 млрд лет назад, существовал суперконтинент Ваальбара, но достаточных доказательств этому нет. Согласно сравнительным палеомагнитным данным, полученным из всех регионов, предположительно составлявших древний Ур, современные отдельные кратоны большую часть древней истории Земли были единой сушей — их перемещения по планете выглядят практически параллельными, а потому, возможно, связанными. Магнитные данные позволяют считать, что суперконтинент Ур оставался целым почти 3 млрд лет и начал разделяться только около 200 млн лет назад.

Древнейший гипотетический суперконтинет Кенорленд, или Сьюпириор (по названию горных местностей в Северной Америке), как полагают, сформировался около 2,7 млрд лет назад из Ура и соединившихся с ним множества мелких разрозненных кратонов. Столкновение одного кратона с другим всегда сопровождается образованием шва, соединительной линии, где под воздействием гигантских сил сжатия образуется новый горный хребет. Множество признаков этого можно обнаружить в породах возрастом от 2,7 до 2,5 млрд лет, что подтверждает последовательный рост суперконтинента. Палеомагнитные данные показывают, что Кенорленд большую часть своего сравнительно недолгого существования располагался в низких широтах, возможно, пересекая экватор.

Параллельно с этими ранними перемещениями материков появились первые крупномасштабные выветривания и массированные осадочные отложения по океанскому мелководью вдоль береговых линий. Согласно большинству моделей ранней истории Земли, древняя атмосфера существенно отличалась от современной. В ней практически отсутствовал кислород, зато содержание углекислого газа в сотни, если не в тысячи, раз превышало нынешние пропорции. Шли углекислые дожди, вызывая эрозию почвы и превращая твердые камни в глину. Реки несли свои мутные потоки в прибрежные мелкие воды океана, и там формировались вязкие, дельтаобразные клинья рыхлых отложений.

Около 2,4 млрд лет назад, почти одновременно с началом накапливания в атмосфере кислорода, Кенорленд пережил оборотную сторону процесса формирования суперконтинента. Геомагнитные данные показывают, что Ур распадался на разные кратоны как раз тогда, когда Кенорленд начал длительный процесс раздробления. Эти фрагменты кратоновой головоломки сдвинулись от экватора к полюсам. Между расходящимися кусками материка образовывались мелкие моря, где формировались мощные осадочные месторождения. Так начался многосерийный суперконтинентальный цикл.

Салют Колумбии

Включение суперконтинентального цикла в геологические анналы делает скучный миллиард гораздо менее скучным. Следующая суперконтинентальная серия, гораздо более внятная, чем Кенорленд, благодаря более молодым и лучше сохранившимся сериям горных пород, началась около 2 млрд лет назад, когда на Земле существовало как минимум пять самостоятельных континентов. Крупнейшим из них был суперкратон Лаврентия, скопление около полудюжины кратонов в несколько тысяч километров в поперечнике, что значительно превышает нынешнюю центральную и восточную части Северной Америки. (Специалисты по древним материкам иногда называют это скопление кратонов Соединенными Плитами Америки.) Первый континент Ур твердо держал второе место по размерам, будучи отделен от Лаврентии обширным океаном.

Им значительно уступали Балтийский и Украинский кратоны, сформировавшие ядро нынешней Восточной Европы, а также кратоны, составлявшие части современной Южной Америки, Китая и Африки и бывшие фактически большими островами, близкими по размерам континенту. Ко времени, когда Земле исполнилось 1,9 млрд лет, эти участки суши соединились по границам континентальных плит, воздвигнув новые горные хребты и сформировав суперконтинент, известный под разными именами: Колумбия, Нена, Нуна или Хадсонленд. (Название Колумбия основано на убедительных геологических доказательствах, полученных в окрестностях реки Колумбия вдоль границы между штатами Вашингтон и Орегон, и употребляется чаще всего.) Эта обширная бесплодная земля, протяженностью примерно 13 000 км с севера на юг и 5000 км с запада на восток, объединила почти всю континентальную кору планеты.

Сложность объединения более тридцати кратонных блоков в единый суперконтинент озадачивает. Неудивительно, что этот процесс описывают несколько моделей. Две сравнительно разные гипотезы появились практически одновременно в 2002 г. Геохимик Джон Роджерс (Университет Северной Каролины) и его коллега, индийский геолог Сантош Мадхава (Университет Коти, Япония ), предположили, что Лаврентия, которая, по существу, равна всей Северной Америке, составила ядро суперконтинента Колумбия. Согласно модели Роджерса–Сантоша, континент Ур присоединился к западному побережью Лаврентии; части Сибири, Гренландии и Балтики располагались севернее; фрагменты того, что сейчас является Бразилией и Западной Африкой, размещались к юго-востоку. В том же году Гохун Чжао с коллегами (Университет Гонконга) выдвинул несколько иную модель, по которой Балтика присоединилась к восточному побережью Лаврентии, а восточная часть Антарктиды и Китай — к западному. Если учесть древний возраст Колумбии и предположительную природу таких реконструкций, обе гипотезы неплохо дополняют друг друга. Тем не менее ясно, что перемещения и превращения указанных кратонов останутся предметом научных дискуссий на ближайшие десятилетия.

Как бы то ни было, сборка Колумбии, начавшаяся 1,9 млрд лет назад, подготовила период скучного миллиарда. Каковы бы ни были обстоятельства формирования суперконтинента Колумбия на самом деле, можно с некоторой уверенностью утверждать, что большую часть его составляла засушливая, жаркая, ржавого цвета пустыня без всяких признаков растительности. Из космоса Земля, должно быть, выглядела странной, кособокой планетой с одним-единственным красноватым континентом, окруженным со всех сторон обширным голубым океаном, пока еще безымянным. Все континенты собрались в районе экватора, и только оба полюса украшали скромные ледяные шапки. Уровень воды в океане был достаточно высок, чтобы в прибрежных регионах континента сформировалось несколько внутренних мелководных морей.

Экваториальный суперконтинент Колумбия предположительно послужил точкой отсчета скучнейшего периода в истории Земли, но что именно делает его таким скучным? Что на самом деле означает застой, какие именно параметры оказались устойчивыми? Глобальный климат и дожди? Природа и размещение живой материи? Состав океана или атмосферы? Какие измерения подтверждают этот пресловутый застой? И наоборот, что остается недоказанным?

Застой

Большинство аспирантов, изучающих геологию, просто не обращают внимания на геологические формации, возникшие от 1,85 млрд до 850 млн лет назад. Четыре года, отведенные на написание диссертации, желание выделиться и получить постоянную преподавательскую должность являются слишком коротким сроком, чтобы потратить его на столь малообещающую геологическую эпоху. Но Линда Ках считала иначе. Ее наставником в MIT был Джон Гротцингер, ведущий специалист в изучении древнейших горных пород Земли возрастом старше 2 млрд лет. В Гарварде руководителем ее диссертации стал Энди Ноул — известнейший палеонтолог, который в свое время вдохновил Нору Ноффке на изучение бактериальных матов. Линда Ках не могла не отметить того, что Земля старше 1,8 млрд лет (описанная Гротцингером) поразительно отличалась от Земли моложе 0,8 млрд лет (описанной Ноулом). Должно быть, в период скучного миллиарда произошло нечто любопытное, и Ках вознамерилась выяснить это. А потому она занялась изучением мезопротерозоя — огромного промежутка времени в истории Земли от 1,6 до 1,0 млрд лет назад, т. е. периода, охватывающего большую часть скучного миллиарда.

Даже если считать мезопротерозой временем застоя, сам по себе факт миллиарда лет стабильности примечателен. Постоянные изменения — вот характерная черта Земли. Океаны и атмосфера, поверхность и недра, геосфера и биосфера — все эти аспекты нашей планеты непрестанно менялись на протяжении геологических эпох. Как же могло случиться, что на протяжении миллиарда лет Земля не испытала никаких серьезных перемен, никаких значительных сдвигов в приповерхностных зонах, ничего нового в живой и неживой природе? Неужели в этот период установилось гармоническое равновесие между климатическими условиями и жизнью? Могло ли такое произойти?

За неторопливым завтраком в Университете Теннесси Линда Ках терпеливо описывала драматические и неоднократные трансформации (значит, мезопротерозой вовсе не был скучным). Линда хорошо подготовилась к встрече: захватила стопку чистой бумаги, на которой во время беседы чертила пояснительные диаграммы синими и красными чернилами.

«Эти мысли появились у меня еще десять лет назад», — рассказывала она, описывая изнурительную экспедицию в условиях труднопроходимой мезопротерозойской горной местности в Мавританской пустыне на северо-западе Африки. Линда была бы не против снова отправиться туда, но рост преступности и похищения людей в этом регионе делают такую поездку просто авантюрой. Вместо этого она намеревается войти в научно-исследовательскую группу в следующем полете на Марс — гораздо более безопасный выбор.

Ках занимается преимущественно исследованием глобальной тектоники и того беспорядка, который она вносила в прошлое Земли, — постоянные перемещения, столкновения, расколы и соединения крупных массивов суши, благодаря которым облик планеты радикально менялся каждые 100 млн лет. Даже в течение 300 млн лет, предшествующих скучному миллиарду (когда суперконтинент Колумбия более или менее сохранял целостность), движение тектонических плит не прекращалось. Примечательной особенностью суперконтинентов является то, что они постепенно прирастают с внешних границ, по мере того как океанские плиты вонзаются в них и на побережье образуются новые вулканы. В наши дни расширение северо-западного побережья Тихого океана, где все еще сохраняются такие грандиозные действующие вулканы, как Маунт-Рейнир, Маунт-Худ и Маунт-Олимпия, хорошо иллюстрирует эту особенность. Так же обстояло дело и с расширением границ Колумбии.

Континентальная кора разрасталась еще значительнее, когда Колумбия время от времени подвергалась раскалыванию на более мелкие материки и острова. Около 1,6 млрд лет назад — начало мезопротерозоя — отделение и дрейф Ура на запад от Лаврентии, а остатков Колумбии — на восток привело к образованию большого межкратонного моря и массированному отложению осадочных пород толщиной более 20 км. Это гигантский рифт, называемый супергруппа Белт-Персел, который охватывает почти все западное побережье Канады и северо-запад США. Таким образом, когда суперконтиненты раскалывались и деформировались, из старых континентальных пород возникали новые.

Раскалывание Колумбии на два расходящихся материка сопровождалось и другими последствиями. Лаврентия, Ур и остальные континенты по-прежнему группировались вокруг экватора, т. е. в районе полюсов континентов не было, а это означает, что там еще не сформировался плотный ледяной покров, следовательно, уровень воды в океанах был все еще достаточно высок. Новое западное побережье Лаврентии было изрезано мелководными морями; по-видимому, суша составляла менее четверти земной поверхности. На некоторое время (может быть, чуть больше 200 млн лет) территория суши значительно сократилась, и одновременно шло накопление осадочных пород на мелководье по всей планете — накапливались отложения, которые ныне являются важным источником информации. Отсутствие льда означало отсутствие ледников. Период с 1,6 до 1,4 млрд лет назад не отмечен никакими характерными признаками ледников — скоплений окатанных льдом булыжников и валунов, песка и гальки, которые обнаруживаются в большинстве других геологических эпох. Так что скучный мезопротерозой тоже стал свидетелем многих перемен, даже если с геологической точки зрения эти перемены были, что называется, в порядке вещей.

Вернемся к суперконтинентальному циклу:
сборка Родинии

Скучный миллиард стал свидетелем формирования не одного, а двух суперконтинентов. Обломки Колумбии расходились в разные стороны примерно в течение 200 млн лет, но после этого наступает предел — и из обломков начинает неизбежно формироваться новый континент. Около 1,2 млрд лет назад Ур, Лаврентия и другие мезопротерозойские континенты начали соединяться, образуя новый материк, называемый Родиния (от русского слова «родина»). Данные горных пород на окраинах Европы, Азии и Северной Америки сохраняют свидетельства об интенсивном горообразовании по всему миру между 1,2 и 1,0 млрд лет назад: каждый раз при столкновении и деформации кратонов появлялся новый горный хребет.

Точная география Родинии все еще является предметом научных дискуссий, но геологические и палеомагнитные данные вкупе с расположением кратонов в наши дни накладывают существенные ограничивающие условия. Согласно большинству теорий, суперконтинент целиком располагался в области экватора, и центр его составляла Лаврентия (ныне большая часть территории Северной Америки), а крупные части других материков примыкали к нему с севера, юга, востока и запада. Некоторые полагают, что Балтика и фрагменты того, что ныне составляет Бразилию и Западную Африку, располагались на юго-востоке, в то время как части Южной Америки примыкали с юга, а фрагменты Африки — с юго-востока, хотя при таком раскладе остается неясным расположение Австралии, Антарктиды, Сибири и Китая.

Линда Ках методично раскладывает свои доводы по полочкам, но чувствуется, что она явно неравнодушна к избранному ею геологическому времени. Несмотря на скудные геологические данные ближе к концу этого периода, за огромный временной промежуток от 1,85 млрд до 850 млн лет назад произошли значительные изменения вследствие танцев кратонов. За этот скучный миллиард лет образовались два суперконтинента, причем столкновение кратонов при этом сопровождалось формированием дюжины горных хребтов. В промежутке между образованием этих суперконтинентов в результате распада Колумбии были заложены основы крупнейших на Земле осадочных месторождений. Большая часть земной суши уходила под воду, а затем снова высыхала. Скорость формирования осадочных пород значительно менялась. Ледники появлялись и исчезали. Довольно много событий для такого «скучного» времени. Но есть и другая сторона вопроса.

Промежуточный океан

Вне зависимости от точной геометрии планеты, все согласны, что суперконтинент Родиния должен был омываться еще более обширным суперокеаном, водным пространством, именуемым Мировия (от русского слова «мировой»). Геохимики, изучающие прошлое нашей планеты, пришли к выводу, что если мезопротерозойскую эпоху считать скучной, то виной тому является Мировия.

Великое кислородное событие — весьма динамичный период в истории Земли от 2,4 до 1,8 млрд лет назад — было прежде всего эпохой перемен в химическом составе атмосферы. За это время состав атмосферы изменился, главным образом за счет увеличения количества кислорода: от нуля до 1–2%. Это гигантское изменение для приповерхностной среды, но для океанов оно является незначительным событием.

Причина кроется в сравнительных объемах. Масса океана в 250 раз больше массы атмосферы. Любое мелкое изменение в химическом составе атмосферы, даже 1%-ный прирост кислорода, лишь через длительный период времени сказывается на океанах — для этого требуется около миллиарда лет.

В стремлении понять природу океана геохимики обращаются к составляющим его химическим элементам и их изотопам. До 2,4 млрд лет назад океанская вода была насыщена раствором железа, и устойчивость этого состава была обусловлена отсутствием в ней оксидантов, которые заставили бы окислы железа выпадать в осадок, а также малым количеством серы (ее наличие привело бы к образованию пирита и других сульфидов). После изменений в составе атмосферы (Великого кислородного события) часть растворенного в воде железа на мелководье превратилась в окислы железа, причем либо непосредственно вступая в реакцию с кислородом, либо взаимодействуя с окисленными веществами на суше. Атмосферный кислород также привел к окислению и эрозии минералов, содержащих серу, которые, попадая в океанскую воду, в свою очередь, поглощали железо.

Эти химические изменения послужили толчком к образованию множества месторождений железистых кварцитов — плотных осадочных пород на дне океанов, в которых сочетались разноцветные слои железистых минералов, ныне составляющих большую часть железорудных месторождений на планете. Образование таких формаций происходило постепенно, а железа в составе океанской воды было много, и этот процесс занял следующие 600 млн лет. К началу скучного миллиарда океанские воды все еще оставались бескислородными, но уже потеряли значительную часть растворенного железа.

Передвинемся вперед на миллиард лет: водоросли продолжали производить кислород, который начал постепенно распространяться по океанам; 600 млн лет назад вода в океанах по всему земному шару уже была сверху донизу насыщена кислородом. То, что происходило между этими датами, — загадка «скучного» миллиарда — носит название промежуточного океана.

В 1998 г. геолог Дональд Кэнфилд из Университета Южной Дании предположил, что не кислород, а именно сера играла решающую роль в промежуточном океане. (С тех пор многие ученые именуют серонасыщенный мезопротерозойский океан не иначе как Океан Кенфилда.) Его наводящая на размышления статья под названием «Новая модель химического состава протерозойского океана» была опубликована в журнале Nature 3 декабря 1998 г. (после целого года задержки, вызванной сопротивлением рецензентов) и почти сразу перевернула представления многих из нас о древних состояниях Мирового океана.

Его основная мысль проста. Великое кислородное событие породило достаточное количество кислорода, чтобы повлиять на распространение многих элементов, «чувствительных к окислительно-восстановительным процессам», включая железо, но этого количества было недостаточно, чтобы окислить океан. С другой стороны, растущая эрозия и окисление почвы наполнили океан сульфатами. Вследствие этого промежуточный океан оказался насыщенным серой, испытывая в то же время нехватку кислорода и железа, и в таком состоянии просуществовал на протяжении миллиарда лет.

Ожидание

Ископаемая летопись возродила гипотезу о постоянном медленном изменении промежуточного океана. Некоторые породы, сформировавшиеся между вторым и первым миллиардами лет назад, содержат микроскопические окаменелости непревзойденного качества. Ганфлинтское месторождение кремнистого сланца в Северной Америке возрастом 1,9 млрд лет, Гаоюжуаньская формация на севере Китая (1,4–1,5 млрд лет) и Авзянская формация на Урале в России (1,2 млрд лет) содержат микроскопические ископаемые остатки микроорганизмов, настолько ясные и отчетливые, некоторые даже в процессе деления, что они выглядят точь-в-точь как современные живые экземпляры. Однако такая замечательная сохранность окаменелостей свидетельствует лишь о стабильности условий, а не о принципиально ином характере этого периода в истории Земли.

Длительное существование бескислородного, сернистого промежуточного океана стало одновременно неблагоприятным и благоприятным условием для развития жизни. Благоприятным был приток сульфатов — прекрасный источник энергии для некоторых видов микроорганизмов: их жизненный цикл держался на превращении сульфатов в сульфиды. Информация, полученная при исследовании окаменелостей, включая характерные молекулярные биомаркеры, данные изотопов серы и некоторых хорошо сохранившихся микроорганизмов в кремнистом известняке — все указывает на то, что в мезопротерозойскую эпоху процветала прибрежная популяция зеленых и пурпурных бактерий. Микроорганизмы, живущие за счет серы, существующие и теперь в бескислородной среде, производят органические серные соединения с отвратительным запахом — похожим на запах сточных вод.

— Мезопротерозой был самым вонючим периодом в истории Земли, — шутит Линда Ках .
— В какой период он был вонючим? — спрашиваю я.
— По-моему, с начала до конца, — отвечает она.

Неблагоприятным обстоятельством для развития жизни была зависимость от азота. Газообразный азот (N₂) составляет 80% современной атмосферы. Проблема состоит в том, что биохимическая природа живого вещества не принимает газообразный азот; живая материя потребляет его в восстановленной форме, т. е. в виде аммиака (NH₃). Поэтому живая клетка выработала весьма полезный белок, фермент под названием нитрогеназа, способный превращать азот в аммиак. Но здесь и кроется ловушка, как убедительно объясняют в своей статье, опубликованной в журнале Science в 2002 г., Ариэль Анбар и Энди Ноул. Нитрогеназе необходим комплекс атомов, содержащих серу и металл — железо или молибден, но ни того, ни другого в промежуточном океане не было. Железо исчезло при формировании железистых кварцитов, так что выбора не было. С другой стороны, молибден растворим только в насыщенной кислородом воде, как в современных океанах. В бескислородный период промежуточного океана молибден обнаруживался лишь на мелководье, поблизости от побережья, подвергаемого воздействию атмосферы, — это и была та среда, в которой предположительно размножались микроорганизмы.

В результате вслед за основополагающей статьей Кенфилда хлынул поток публикаций, связывающих геохимию и палеонтологию мезопротерозоя — две дисциплины, представители которых еще двадцать лет назад даже не общались друг с другом. Вывод очевиден: промежуточный океан стал пристанищем микроорганизмов, но эти формы жизни могли существовать только вблизи побережья. Поглощающие серу бактерии сосуществовали там с порождающими кислород водорослями. В течение миллиарда лет жизнь продолжалась, но это сопровождалось лишь немногочисленными биологическими инновациями.

Минеральный взрыв

Обратимся к минералогии — еще одной области науки, которая долгое время преподавалась в странной изоляции от грандиозной истории Земли, в таком же отрыве от геохимии и палеонтологии, как обе эти науки друг от друга. Объяснить это трудно, поскольку все, что нам известно о далеком прошлом Земли, получено на основе информации о минералах. Однако большинство минералогов редко обращаются к возрасту или эволюции исследуемых ими образцов. Напротив, более двух столетий минералоги занимались в основном их неизменными физическими и химическими свойствами. На протяжении всей моей жизни минералогическая литература описывала такие свойства, как твердость и цвет, химические элементы и изотопы, кристаллическую структуру и внешний вид минералов.

Я тоже когда-то твердо придерживался двухвековой традиции. Первые двадцать лет своей научной деятельности я выделял идеальные миниатюрные кристаллы обычных породообразующих минералов, подвергал их невообразимому давлению между двумя алмазными наковальнями, обрабатывал сплющенные образцы рентгеновскими лучами, а потом измерял мельчайшие изменения в их атомной структуре. Мы с коллегами игнорировали геологическое время и географическое место, поскольку не интересовались ни возрастом, ни происхождением наших микроскопических образцов. Мы называли себя минералогами-физиками и держались в компании таких внеисторических наук, как химия и физика. Не от них ли мы восприняли предвзятые мнения о геологических «сказках»?

Такой образ мыслей в минералогии коренится в ее происхождении от горного дела и химии, слегка приправленных подсознательным убеждением в том, что физика и химия являются более строгими и точными науками, чем творческие, направленные на качественные характеристики «байки» геологов. (Исследователи истории Земли часто задумываются, не это ли предубеждение лежит в основе того, что среди лауреатов Нобелевской премии много физиков и химиков, но ни одного геолога.) Поэтому мало кто из минералогов интересуется удивительными превращениями приповерхностных минералов во времени. Когда в 2008 г. мы с коллегами опубликовали коллективную статью под названием «Минеральная эволюция», наша цель заключалась в том, чтобы оспорить традиционный подход —и преобразовать минералогию в историческую науку. Наша ставка на минералогическое прошлое Земли, а также других планет Солнечной системы и планет за ее пределами основывается на том, что минеральный состав Земли эволюционирует, проходя несколько последовательных ступеней, на каждой из которых наблюдаются разнообразные изменения в составе и распределении минералов. Отсюда и повествовательный уклон этой книги, в которой планеты прогрессируют от минералогической простоты к сложности, от какой-нибудь дюжины минеральных веществ в составе газа и пыли, из которых образовалась Солнечная система, до более сорока пяти сотен разновидностей минералов, существующих на Земле в наше время, две трети из которых не смогли бы появиться в неорганическом мире.

Это была узкопрофильная статья, опубликованная в специализированном журнале American Mineralogist, который читали в основном профессионалы. Но международная пресса быстро подхватила гипотезу о том, что жизнь и минералы развивались взаимосвязанно. Журналы The Economist и Der Spiegel, Science и Nature, а также несколько научно-популярных изданий ухватились за наши научные догадки о происхождении и развитии минералогического многообразия Земли. Журнал The New Scientist даже опубликовал остроумную карикатуру, изображающую четыре стадии минеральной эволюции: от кристалла с плавниками до «развитого» кристалла с тросточкой. Никому из них не пришло в голову, что все наши выкладки носят исключительно теоретический, умозрительный характер. Действительно ли на Марсе существует только 500 разновидностей минералов? Действительно ли неорганический мир неспособен создать более 1500 разновидностей? Действительно ли потребовался живой, насыщенный кислородом мир, чтобы на Земле утроилось количество видов минералов? Мы представили эти тезисы как гипотезы; их еще предстояло доказать.

Кто мог тогда предвидеть, что самым продуктивным источником доказательств окажутся породы «скучного миллиарда»?

Чтобы облечь количественной плотью голый костяк эволюционной гипотезы, надо было исследовать отдельные группы минералов. И вот я связался с Эдом Гру, профессором-исследователем в области наук о Земле из Университета Мэна. Эд, выносливый и упорный исследователь, посвятил свою жизнь тщательному изучению минералов, в состав которых входят бериллий и бор — редкие элементы, которые время от времени концентрируются в крупные, красивые кристаллы. Он знает все 108 официально зарегистрированных минералов, в состав которых входит бериллий, как собственных друзей. У каждого из них свой характер, каждый играет свою геологическую роль. Я попросил его воссоздать их описание во времени. Когда они появились? Какие процессы привели к увеличению их разновидностей? «Вымерли» ли какие-то из минералов с бериллием? Никто до сих пор не пытался ответить на эти вопросы. Трудно даже просто фиксировать в каталоге все возможные минералы с данным элементом, но уточнять, когда какой-либо из образцов появился или исчез, вообще неподъемная задача. Существует множество мест, где встречается самый распространенный из бериллиевых минералов — берилл (особенно ценится его темно-зеленая разновидность — изумруд). Страшно даже попытаться проследить месторождение древнейшего из них.

После целого года тяжелейшего труда Эд Гру построил примерную диаграмму, показывающую совокупное количество всех бериллиевых минералов на временно й шкале, на основе тысяч известных находок. Как и ожидалось, потребовалось длительное время для появления первого берилла — почти 1,5 млрд лет. В земной коре бериллий присутствует в отношении два на миллион, так что проходит много времени, прежде чем бериллий попадет в обогащенную жидкую среду, где осядут кристаллы берилла. В течение следующего миллиарда лет появилось всего лишь около двадцати разновидностей бериллиевых минералов. Согласно нашей новорожденной теории, всплеск образования новых минералов должен был прийтись на период Великого кислородного события, между 2,4 и 2,0 млрд лет назад, но Эд обнаружил нечто иное. Наивысший прирост минералов случился несколько позднее, когда между 1,8 и 1,7 млрд лет назад количество разновидностей минералов увеличилось больше чем в два раза. Этот промежуток времени, как раз в самом начале «скучного» миллиарда, был периодом сборки суперконтинента Колумбия. Возможно, бериллий накап ливался в новых минералах в процессе интенсивного горообразования, вызванного столкновением континентов.

Вслед за бериллием Эд Гру предпринял еще более впечатляющее исследование 263 разновидностей минералов бора. Самая известная красно-зеленая разновидность полудрагоценного турмалина обнаруживается в древнейших на Земле породах, но возраст их не превышает полумиллиарда лет. В образцах давностью 2,5 млрд лет можно встретить едва ли двадцать разновидностей минералов с бором — менее 10% от современного количества. Как и в случае с бериллием, Эд обнаружил удвоение численности различных бористых минералов в породах времен «скучного» миллиарда, на сей раз в промежутке между 2,1 и 1,7 млрд лет назад, т. е. от начала до конца существования Колумбии. И вновь этот интенсивный прирост разновидностей минералов вызывает множество вопросов — о том, когда именно после Великого кислородного события произошло увеличение разновидностей минералов, когда и как собирались суперконтиненты, почему минералогические новшества пришлись именно на «скучный миллиард».

Следующий набег на истоки минеральной эволюции мы совершили, выбрав 90 известных минералов, содержащих редкий элемент ртуть, — и это исследование еще более осложнило картину. Подобно гораздо более распространенному элементу — железу, ртуть встречается в трех химических состояниях: как богатый электронами металл (знакомая серебристая жидкость в старых термометрах), а также в виде двух окислов. Таким образом, мы ожидали встретить всплеск интенсивного увеличения разновидностей ртутных минералов вслед за Великим кислородным событием, но открылась совершенно иная картина. Как и в истории бериллия и бора, потребовалось более миллиарда лет для появления древнейшего ртутного минерала — самой распространенной ртутной породы, ярко-красной киновари. Остальные разновидности следовали импульсами: примерно дюжина новых ртутных минералов возникла во время сборки Кенорленда ; потом были полмиллиарда лет застоя; потом еще полдюжины новообразований появилось в период сборки Колумбии. Очевидно, при столкновении континентов процесс горообразования сопровождается высвобождением потока минерализующих жидкостных сред, где и зарождаются новые минералы. Открытие того, что такая минерализация приходилась строго на промежутки между формированием суперконтинентов, оказалось большим сюрпризом.

Затем последовало еще одно удивительное открытие: в течение длительного времени (от 1,8 млрд до 600 млн лет назад — дольше самого «скучного» миллиарда) не происходило ничего. Даже в период сборки суперконтинента Родиния, миллиард лет назад, не появилось ни единого нового ртутного минерала. Мы заподозрили, что виноват в этом насыщенный серой, промежуточный океан. Киноварь , сульфид ртути, является наименее растворимым из всех пород. Каждый атом ртути, попавший

в древние сернистые моря, тут же взаимодействовал с серой, образуя микроскопические частицы киновари, которые медленно оседали на дно, прекращая дальнейшую минерализацию ртути. И только в последние 600 млн лет, когда вода в океанах насытилась кислородом, а на суше укрепилась живая природа, произошла взрывная минерализация ртути.

Загадки

Итак, явилось ли взрывообразное появление новых минералов следствием цикла сборки суперконтинента , характерного для «скучного» миллиарда? Стало ли это замедленной реакцией на распространение кислорода? Что касается ртути: исчерпывается ли история появления ртутных минералов гипотезой связанной с сернистым океаном? Какие еще открытия преподнесет исследование других пятидесяти с лишним минералообразующих элементов? Ясно, что нам предстоит еще многое узнать — ведь мы только-только обратились к богатым подробностям истории «скучного» миллиарда.

Этот малоизученный промежуток времени, от 1,85 млрд до 850 млн лет назад, точно так же отмечен постоянными переменами, которые характерны для каждой стадии эволюции нашей планеты. К периоду, начавшемуся 850 млн лет назад, приповерхностная среда Земли необратимо изменилась. Постоянно обогащавшийся кислородом океан у берегов изобиловал водорослями и микроорганизмами, включая зловонные серные бактерии, а тем временем на суше развивалась своя жизнь. Как бы то ни было, загадочный, не столь уж скучный миллиард показывает нам, что Земля время от времени переживает застой — приводя в равновесие многочисленные противоборствующие силы. Силы тяготения и поток тепловой энергии, сера и кислород, вода и живое вещество удерживаются в равновесии в течение сотен миллионов лет. Но всегда есть какое-нибудь «но». Стоит только одной из этих сил слегка измениться, как Земля выходит из состояния равновесия, достигая переломного момента, последствия которого невозможно предугадать — происходят стремительные перемены, которые могут разрушить приповерхностную среду.

Что впоследствии и случилось.