В одном из таких местонахождений (Ганфлинт в Канаде), которому 2 млрд лет, прозрачные кварцевые слойки запечатлели странные звездчатые микроокаменелости — эоастрион (греч. «ранняя звездочка».) Эоастрион очень похож на современных бактерий, образующих железные и марганцевые окислы.
Поскольку кислород уходил на окисление железа (а также марганца и некоторых других металлов), его содержание в воздушной и водной средах долго оставалось неизменно низким. Только с выводом из круговорота основных масс неокисленного железа и марганца уровень кислорода стал повышаться. Это произошло примерно 2,7 млрд лет назад.
Итак, сразу после тяжелых ковровых метеоритных бомбардировок, отгремевших 4,0–3,8 млрд. лет назад, в условиях непрекращавшихся бурных извержений вулканов, горячих источников, которые исторгали всяческие газы (углекислый, гелий, водород и метан), и высоких давлений Земля наполнилась жизнью. Бактериальные сообщества заселили мелководные океаны (архейские океаны могли на два-три километра быть мельче современных), окружавшие небольшие праматерики. Соленость и другие химические особенности вод к концу архея, видимо, не отличались от нынешних. Все живые клетки накапливают ионы калия и освобождаются от ионов натрия. Так, в морских водах со временем стал преобладать этот металл. Магнитосфера уже существовала, защищая Землю от солнечного ветра. Продолжительность суток была короче (около 15 часов), а средняя высота прилива была выше (примерно в полтора раза, поскольку Луна обращалась ближе к Земле). Среднеземные температуры не сильно отличались от нынешних, поскольку более низкая светимость молодого Солнца уравновешивалась высоким содержанием в атмосфере метана (совершенно незначительного для современной атмосферы) и водяного пара, создававших теплоизолирующую оболочку.
В конце архея (2,9–2,7 млрд лет назад) благодаря способности бактериальных сообществ выделять свободный кислород как побочный продукт своей жизнедеятельности уровень содержания этого газа в атмосфере повысился. Это событие повлекло за собой появление озона и образование озонового щита. Щит предохранил Землю от чрезмерного солнечного излучения и обеспечил распространение жизни в прибрежные мелководья, поверхностные воды открытого океана и, возможно, на сушу. В истории Земли практически не было времени, когда бы живые организмы не оказывали определяющего влияния на развитие воздушной, жидкой и твердой ее оболочек.
Глава II
Очень краткое повествование о земной жизни в течение двух миллиардов протерозойских лет
(2500 — 605 млн лет назад)
Первое оледенение. Виноваты ли в нем водоросли? Полет одинокой валькирии над Арктикой. Черви, которые не черви.
Морозильная камера
В самом конце архея (2,7 млрд лет назад) на Земле началось оледенение. Среди явлений, влияющих на земную температуру, выделяется так называемый парниковый эффект.
«Парниковый эффект» можно описать как эффект, который возникает в дачном парнике, если обильно поливать помидоры. Испаряясь, молекулы воды поглощают солнечное излучение, проходящее сквозь чисто вымытые стекла. Водяной пар нагревается, и температура в замкнутом помещении повышается.
Кроме водяного пара к парниковым газам относятся метан и углекислый газ. Метан окисляется кислородом. Как только большая часть железа ушла в осадок, содержание кислорода в атмосфере повысилось и метановый утеплитель был разрушен. Конечно, все было не так просто. Сульфатвосстанавливающие бактерии начали успешно соперничать с метанообразователями за водород, отвоевав его существенную долю. Содержание метана стало понижаться, а кислорода — повышаться, и потихоньку произошел полный атмосферный переворот. А до этого — сплошной холодный органический туман стелился в прибрежных низинах.
Об этом свидетельствует резкий сдвиг в изотопной летописи углерода в сторону более положительных значений, который приходится на слои возрастом 2,7 млрд лет. В органических породах, образовавшихся до этого времени, содержится исключительно много легкого изотопа углерода. Значит, метанокисляющие эубактерии «ни в чем себе не отказывали». Источником метана для них служила атмосфера. Но к началу протерозоя (2,5 млрд лет назад) он иссяк.
Одновременно деятельность бактериальных сообществ вела к росту материков за счет добавления слоев осадочных пород — в основном известковых строматолитов и железистых кварцитов. Как раз в конце архея земная кора приросла на треть. Почти вся Африка, Северная Америка, Сибирь, Индия, Северный Китай и восточная часть Европы образовались в то время. С увеличением площади материков расширялась и площадь суши.
Тут и подключился второй важный фактор, от которого зависит температура планеты, — альбедо. По-латыни «альбус» означает «белый». Белый цвет, как известно, хорошо отражает солнечные лучи. Альбедо — это доля солнечной энергии, падающей на планету, которая отражается в пространство. Альбедо «светлой» суши выше, чем у более темных океанов. Если бы суши сейчас не существовало, альбедо всей поверхности Земли оказалось бы на 6 % ниже и на планете было бы теплее.
В конце архея был пройден критический рубеж, когда суша расширилась настолько, чтобы повлиять на земное альбедо. Причем рост суши не только повышал долю солнечной энергии. На выветривание (разрушение) кремнеземсодержащих минералов расходовался другой парниковый газ (углекислый). Тогда же кислорода стало достаточно, чтобы разложить почти весь атмосферный метан. Все это вместе и возвестило начало первой ледниковой эры. Белоснежный покров усилил альбедо еще больше.
Конечно, жителю страны, где зима составляет большую часть года, трудно представить, что в похолоданиях и оледенениях есть хоть что-то хорошее. Меж тем нахлобученные на земные полюса ледниковые шапки охлаждали океанические воды в высоких широтах. Более плотные холодные воды опускались вниз, и океан перемешивался. Нисходящие течения несли в глубины кислород, а восходящие поднимали к поверхности соединения азота, фосфора, железа и некоторых других элементов, необходимых для роста организма. В результате такого обмена толща океана становилась все более пригодной для жизни.
В отсутствии охлаждения глубинные океанические воды образуются за счет погружения рассолов, выпаривающихся в низких широтах. Поскольку плотность рассолов выше, океан перестает перемешиваться.
Восходящие глубинные воды включили обратный механизм потепления. Вместе с ними к поверхности поступал гидрокарбонат (НСО3). Его избыток в поверхностных водах вызывал быструю садку карбонатов. При образовании известняков выделялся углекислый газ. (Современные рифы, например, поставляют в год 245 млн т этого продукта, что на порядок больше вулканических выбросов.) Подъем уровня углекислого газа в атмосфере дополнялся высвобождением метана. Этот газ накапливается на материковых окраинах, скрытых морскими водами, и поступает в атмосферу, когда ледники вбирают воду, обнажая их. Возвращение в атмосферу газов-утеплителей вызывало «парниковый эффект». И вновь начинал ось таяние ледниковых покровов и потепление.
По мере перехода Земли в режим самооттаивающего холодильника ухудшалось положение строматолитостроителей. И повышение уровня кислорода, и понижение температуры океана мешали их нормальному развитию. Размеры строматолитовых построек и площадь их распространения стали сокращаться. Но там, где невыносимо жить одним, всегда хорошо устроятся другие. Приближалось время эукариот.
Кембрийские морские животные и водоросли 1 — одонтогриф; 2 — аномалокарис и ему подобные; 3 — опабиния; 4 — всякие членистоногие; 5 — гребневик; 6 — амисквия (возможный плоский червь); 7 — акритархи; 8 — стилофорное иглокожее; 9 — эокриноидное иглокожее; 10 — археоциатовые губки; 11 — морское перо (восьмилучевой коралл); 12 — диномиск (может быть; тоже иглокожее); 13 — брахиоподы; 14 — улитка (брюхоногий моллюск); 15 — элдония (совершенно не понятное животное); 16 — головохоботный червь
Синдром «Фольксвагена»
На ранний и начало позднего протерозоя (2,5–1,5 млрд лет назад) пришелся своеобразный застой. Ничего откровенно нового в течение долгих полутора миллиардов лет не появилось. Даже изотопная летопись углерода имеет вид скучной прямой линии без загогулин. Но за кажущейся простотой внешнего образа скрывались бурные преобразования внутреннего содержания.
Начиная с 50-х годов XX века в Германии большим спросом пользовался автомобиль марки «Фольксваген», похожий на жука с большими глазками. Внешний вид машины был придуман настолько удачно, что его сохраняли почти сорок лет. При этом и мотор, и внутренняя отделка поменялись полностью, причем не единожды. Найдя на свалке кузов такого автомобиля без внутренних деталей, невозможно определить, сделан ли он в начале 50-х или в конце 80-х годов. Примерно то же можно сказать о бактериях. О них так и говорят: у бактерий проявлялся «синдром "Фольксвагена"».