Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Песнь Земли, начавшуюся 4,6 млрд лет назад, возможно, будет проще всего понять, исследуя ее составные части. Подобно тому, как теоретики музыки могут разобрать современную песню на фрагменты, в том числе вступление, куплеты, запев, припев, проигрыш, завершающие аккорды (концовка), геологи выстраивают последовательность развития Земли от огромных периодов, эонов, к более мелким подразделениям, включающим эры, периоды, эпохи и века (см. цветную вклейку 8.1). Докембрий представляет собой исключение – это суперэон, который и станет предметом рассмотрения в этой главе.

Докембрийский суперэон охватывает период с рождения Земли 4,6 млрд лет назад – после формирования Солнечной системы из газопылевого облака, образовавшегося после рождения Вселенной в результате Большого взрыва (13,8 млрд лет назад)[384], – до 541 млн лет назад. Докембрий представляет огромный промежуток геологического времени, почти 88 %, или более трех четвертей, времени существования Земли (рис. 8.1). Стратиграфы изменили классификацию докембрия, названного так для обозначения всего отрезка геологического времени до кембрийского периода палеозойской эры, с эона на суперэон[385]. До сих пор это единственный суперэон. В докембрии выделяют гадейский эон (назван по имени Гадеса[386]), 4,6–4,0 млрд лет назад, архейский («старый»), 4,0–2,5 млрд лет назад и протерозойский («ранняя жизнь»), 2,5 млрд – 541 млн лет назад. Архейский и протерозойский эоны подразделяются на эры.

Рис. 8.1. Гадейский эон глазами художника (художник Тим Бертелинк, 2016)

Хотя на докембрий приходится бо́льшая часть временной шкалы Земли, о нем известно меньше всего. Геологи с помощью количественного определения возраста установили приблизительные периоды в рамках докембрия, но что́ происходило в то время и когда именно, определено не столь достоверно. Многие докембрийские горные породы исчезли: они были переработаны в результате возникновения, движения и уничтожения литосферных плит. Геологи могут обнаружить эти древние породы лишь на устойчивых кратонах, представляющих неизменившиеся участки в центре континентов, или в разбросанных по поверхности планеты осколках. В Западном полушарии геологи находят докембрийские формации в Гренландии, Канаде, части территории США (в регионе Скалистых гор) и в Южной Америке.

Докембрий – это время в истории Земли, когда сформировались пять оболочек планеты (геосфер): 1) магнитосфера – защитное магнитное поле вокруг планеты; 2) литосфера – твердая оболочка Земли, включающая литосферные плиты и все горные породы и минералы, континенты и океаническое дно; 3) гидросфера – совокупность всей воды на планете, включая лед и жидкую воду на поверхности; 4) атмосфера – воздушная оболочка Земли, состоящая из газов и определяющая климат; 5) биосфера – все живые организмы на Земле. Между этими оболочками осуществляется динамическое взаимодействие; изменения в одной оболочке оказывают немедленное воздействие на остальные. В действительности жизнь на Земле в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы без совместного функционирования всех оболочек нашей планеты. Это взаимодействие будет обсуждаться в главах с 8 по 11, в которых рассматривается биография Земли.

Одним из свидетельств динамического взаимодействия оболочек Земли являются три крайне отличающихся состава атмосферы (см. цветную вклейку 8.2), развитие которой происходило с докембрийского суперэона вплоть до формирования современной атмосферы. Первый состав атмосферы, который был бы токсичен для живых организмов, известных сейчас, сформировался в гадейском эоне и был представлен в основном водородом и гелием, газами из газопылевого облака и протопланетного диска. Солнце и планеты сформировались из вращающегося облака из частиц и газов. Эти легкие газы в конце концов улетучились из атмосферы Земли под действием солнечного ветра, потому что у планеты еще отсутствовали окончательно сформировавшиеся гравитационное и магнитное поля. В начале архейского эона атмосфера состояла из диоксида углерода, водяного пара, метана и азота, поступавших в атмосферу в результате выделения вулканических газов и тектонической активности. Атмосфера такого состава тоже была бы токсична для живых организмов в том виде, в каком они существуют сегодня. Азот, кислород и газовые примеси современной атмосферы стали результатом превращения газов того, второго состава атмосферы архейского эона. Цианобактерии, образующие строматолиты, стали все больше доминировать на протяжении сотен миллионов лет и в ходе непостижимо долгого процесса трансформации в результате фотосинтеза постепенно превращали атмосферный углекислый газ в кислород, создавая атмосферу, которая существует сегодня. Формирование современного состава атмосферы началось в конце архейского эона и продолжилось в протерозое. Эта атмосфера была и остается динамической системой: концентрации O₂ и CO₂ меняются на протяжении времени.

Гадейский эон, 4,6–4,0 млрд лет назад

Поэт Данте Алигьери и разные художники эпохи Возрождения представляли Аид как недра преисподней в центре Земли. Древние философы действительно предполагали, что Аид подобен преисподней (рис. 8.1). Тем не менее по мере изучения Земли научные открытия заменили фольклор, и ученые выяснили, что наша планета вместо Аида в центре имеет слои, а внутри находится ядро и мантия. Эти открытия были сделаны в результате изучения сейсмических волн, которые по-разному проходят через вещество в зависимости от его агрегатного состояния: твердого или жидкого.

Геологам немногое известно о самом древнем эоне. Некоторые полагают, что гадейский эон был очень жарким, с расплавленными горными породами и лавовыми бомбами, и в целом условия были очень суровыми. В такой версии горячей ранней Земли вода могла существовать только в форме пара, океаны состояли из горячей магмы, и никакая суша не формировалась – действительно похожий на преисподнюю сценарий. Другие ученые предполагают, что температуры были гораздо ниже и жидкая вода появилась довольно рано в истории планеты[387]. Доказательствами в пользу холодной ранней Земли в гадейском эоне служат геохимические модели глобального круговорота диоксида углерода и данные об изотопах кислорода. При таких условиях жизнь на Земле могла появиться раньше, поскольку этому способствовало наличие жидкой воды.

В условиях горячей ранней Земли в гадейском эоне даже не могло быть и намека на тектонические процессы, и поэтому, скорее всего, континентов не существовало. Для возникновения динамики и создания условий для тектонической активности необходимы особые температуры, строение и параметры текучести, но если, как утверждают некоторые ученые, в гадейском эоне температура была ниже, то, возможно, началось и зарождение тектонических процессов.

В течение первого миллиарда лет, с гадейского эона и в архее, ранняя Земля подвергалась бомбардировкам метеоритов и астероидов: это время называется периодом тяжелой бомбардировки[388]. Кратеры не образовывались, потому что не было литосферы, которая бы сохранила сведения о столкновениях. Тем не менее ученые обнаружили аналогичные свидетельства столкновений на других внутренних планетах, на Луне и на других спутниках планет Солнечной системы.

До сих пор были найдены лишь несколько пород, относящихся к гадейскому эону. В 1980-х гг. геологи (см. главу 4) обнаружили кристаллы циркона в обломочных отложениях из Джек-Хиллс на западе Австралии, датируемые периодом 4,4 млрд лет назад[389]. Геологи предполагают, что эти кристаллы циркона сформировались в древних магматических камерах. Горные породы гнейсов Акасты в Канаде датируют периодом около верхней границы гадейского эона – 3,96 млрд лет назад[390].

Значительным событием на раннем этапе истории Земли было формирование Луны. 4,5 млрд лет назад, в гадейском эоне, в результате катастрофического столкновения Земли с крупной протопланетой сформировалась Луна. Согласно наиболее популярной теории, выдвинутой астрономами, после столкновения с Землей объекта, названного Тейей – размером с Марс, – образовалось кольцо частиц, в результате слипания которых образовалась Луна. Астрономы называют это событие Гигантским столкновением, или Большим всплеском (рис. 8.2).

Как ученые могли выдвинуть подобные теории о событиях, которые произошли так давно в геологическом прошлом? Конечно, у исследователей не было прямых доказательств того, что именно происходило при образовании Луны, но с начала 1970-х гг. ученые начали разрабатывать математические модели (воспроизводящие условия в Солнечной системе) для проверки гипотез о происхождении Луны, в том числе и гипотезы Большого всплеска[391]. Позже ученые создали новые модели для уточнения гипотезы Большого всплеска. Более современные данные показали, что, вероятно, было необходимо множество столкновений – так родилась гипотеза о «малых спутниках». Астрономы предполагают, что в результате столкновений из фрагментов, по-видимому, образовались разные спутники, которые в конечном итоге объединились в одну лунную массу. Предметом обсуждения по-прежнему является сходство состава Луны и Земли и похожие смеси изотопов кислорода, которые подобны отпечаткам пальцев при определении возраста и истории конкретной породы. Еще один вопрос касается характера столкновения Земли с Тейей (если таковое было): был ли это скользящий удар или прямой.

Рис. 8.2. Формирование Луны: Большой всплеск (Memomiguel, 2012)

Теория Большого всплеска соответствует большинству данных о Луне, имеющихся у физиков и астрономов, в том числе о параметрах вращения (об угловом моменте) Земли и Луны. Ученые сначала полагали, что Тейя столкнулась с Землей по касательной, вырвав 40 % материала, из которого сформировался новый спутник. В этой теории учитывается наличие на Луне богатых диоксидом кремния материалов, летучих веществ (вещества с низкой температурой кипения, такие как азот, вода, диоксид углерода, аммиак, водород, метан и диоксид серы) и низкое содержание железа. Согласно этой точке зрения, железное ядро Тейи при столкновении с Землей расплавилось и объединилось с ядром Земли. Проблема этой модели заключается в том, что хотя она и учитывает низкие концентрации летучих веществ на Луне, но не затрагивает вопрос о том, что Луна состоит, по-видимому, из тех же изотопов, что и Земля.

В 2014 г. физики уточнили свои модели и получили удивительные результаты. Последние вычисления показывают, что Тейя ударилась о Землю на высокой скорости, что привело к возникновению невероятно высоких температур и давления и полному уничтожению протопланеты, которая «вплавилась» в Землю. Удар огромной силы создал условия, в которых преодолевался сверхкритический порог для материалов: больше не существовало ни жидкостей, ни газов (и большинства твердых веществ). Все превратилось в текучую субстанцию, обладавшую уникальными свойствами – и газа, и жидкости одновременно, что позволяло ей и проникать через твердые вещества (как газу), и растворять материалы (как жидкости). Физики полагают, что Тейя слилась с Землей, в результате чего образовался сверхкритический флюид, который распространился из зоны, бывшей когда-то ядром Земли, породив «облако» – не твердое и не жидкое, а представлявшее собой массу сверхкритического вещества[392]. Это было сплошное гладкое образование, радиус которого, по оценкам, составлял 10 000 км. Вероятно, это была непрерывная структура, в отличие от колец Сатурна. Астрономы называют эту новую структуру синестией (от греч. syn – «одинаковый» и имени богини домашнего очага Гестии). Гипотетическая синестия, возможно, имела форму, похожую на пончик без отверстия в середине, но теоретически могли существовать и другие геометрические формы. И Земля, и Луна конденсировались из этого суперкритического флюида. Ученые никогда не наблюдали подобного феномена в Солнечной системе, но имеются новые данные анализа изотопов, которые подтверждают эту гипотезу[393].

Тем временем химики добились прогресса в области анализа изотопов, позволившего определять еще меньшие количества, чем прежде. Эти новые разработки поддерживают гипотезу синестии, потому что теперь ученые могут выявить минимальные различия между изотопами на Луне и на Земле. При анализе лунных пород ученые обнаружили, что изотопы калия в них чуть тяжелее, чем изотопы калия на Земле. Эта разница, по мнению исследователей, может объясняться охлаждением во время разрушения суперкритического флюида, когда вещества отделялись от общей массы. Медленное столкновение, которое сначала предполагалось при разработке теории Большого всплеска, не породило бы достаточное количество энергии для того, чтобы такой след появился в лунном изотопе калия. Но гипотеза о существовании синестии так и останется гипотезой до тех пор, пока во Вселенной не обнаружат настоящую синестию.

Когда все более тяжелые атомы стали осаждаться под действием гравитации, в центре Земли из железа и никеля сформировалось ядро, которое находилось под таким давлением, что оно было твердым. От внутреннего ядра отделился внешний жидкий слой – внешнее ядро, и, поскольку оно вращается, возникло магнитное поле, которое сегодня защищает планету. Исследователи полагают, что это разделение и формирование ядра планеты, а следовательно, и образование магнитосферы Земли происходило в период между 4,2 и 3,3 млрд лет назад – началось в гадее и продолжилось в архейском эоне. Данные о возрасте магнитосферы получены в результате изотопного анализа минералов, которые уже обсуждались, – цирконов в обломочных отложениях Джек-Хиллс в Западной Австралии[394]. Трудности датирования таких материалов, как цирконы, связаны с тем, что они должны сохраниться неизмененными в результате метаморфических процессов под действием температуры и давления, которые нарушают первоначальную сигнатуру кристалла.

Сначала магнитное поле планеты было не очень сильным, и потребовалось время, чтобы оно полностью сформировалось. Но с момента его формирования роль магнитосферы в истории Земли и жизни нельзя переоценить, поскольку она обеспечивала и продолжает обеспечивать необходимую защиту от повреждающих солнечных лучей, солнечного ветра и других видов космического излучения (рис. 8.3). В периоды, когда происходит инверсия геомагнитного поля, в течение относительно короткого времени, оно ослабевает или, возможно, отсутствует, что порождает колебания величины поля. Последняя инверсия геомагнитного поля произошла 773 тыс. лет назад, и хотя одни исследователи полагают, что для завершения этого процесса потребовалось 22 000 лет[395], другие считают, что инверсия произошла за 8000 лет. Инверсии магнитного поля – нередкое явление: за последние 20 млн лет они происходили каждые 200–300 тыс. лет[396]. Никто не знает точно, что происходит во время инверсии, но тем не менее магнитное поле ослабевает, и космические лучи могут бомбардировать Землю и оказывать влияние на живые организмы.

Рис. 8.3. Магнитосфера Земли (NASA/Goddard, 2017; изображение создал Аарон Каас)

Землю трудно представить без тектонической активности, без создания и разрушения коры и движения больших литосферных плит в том виде, в каком сейчас эти процессы знают геологи. Тем не менее данные показывают, что температуры и давление не способствовали формированию подвижной коры на ранних этапах истории планеты, особенно в случае существования условий теплой или горячей ранней Земли. По мнению ученых, в первые 2 млрд лет в мантии Земли существовали условия «инертной покрышки», и всю поверхность планеты покрывала одна большая плита базальта[397]. В таких температурных условиях на ранних этапах, вероятно, преобладали горячие мантийные плюмы, и, возможно, в результате оборота мантии происходила переработка покрышки. Как бы то ни было, из-за огромных температур все эти процессы должны были происходить без образования конвективных ячеек (в отличие от современных тектонических условий)[398]. Геодинамические модели (такие, что дают прогнозы о температурном режиме ранней Земли, геотермальных условиях и состоянии мантии) показывают, что в этот период ранней истории Земли высокие температуры в мантии играли основную роль в снижении давления и вязкости мантии, поэтому конвективные ячейки не образовывались.

Планетологи и геологи полагают, что условия на современной Венере (которая обладает инертной покрышкой) похожи на те, что существовали на Земле на раннем этапе ее истории: тектоническая активность отсутствует и имеется всего одна доминантная плита, которая не движется. Еще одним доказательством служит тот факт, что положение магнитных полюсов, данные о которых зафиксированы в древних породах Земли (см. главу 5), значительно отличалось, когда начались тектонические движения в середине и конце докембрия. Горные породы, относящиеся к периоду инертной покрышки, не демонстрируют изменений положения магнитных полюсов со временем, в отличие от горных пород периода, когда началось движение плит. Как бы то ни было, споры о том, когда условия инертной покрышки на Земле сменила тектоника плит, все еще продолжаются, но положение полюсов указывает, что распад покрышки произошел около 1,1 млрд лет назад, в середине протерозоя.

Первая атмосфера Земли состояла из инертных газов, содержавшихся в протопланетном диске, которые были захвачены из облака, окружавшего зарождавшуюся Землю. Однако энергетический поток от Солнца был гораздо выше, чем в наши дни, и он уносил атмосферную оболочку из водорода и гелия, рассеивая ее в космосе[399]. Кроме того, в гадейском эоне гравитационное поле Земли или вообще отсутствовало, или было слишком слабым, чтобы сохранить первую атмосферу планеты.

Один из цирконов Джек-Хиллс предоставляет волнующее указание на возможное присутствие первых живых организмов в гадейском эоне. Исследователи проверили тысячи этих обломочных цирконов и обнаружили два, имеющих включения (материал, содержащийся внутри минерала) графита – минерала, представляющего собой одну из модификаций чистого углерода. Один из кристаллов исследователи забраковали, поскольку на нем была трещина, через которую мог проникнуть посторонний материал. Но в оставшемся кристалле циркона графит оказался старше самого кристалла и датируется периодом 4,1 млрд лет назад[400]. Графит в зависимости от его изотопной сигнатуры, определяемой по результатам изотопного анализа, может выступать косвенным индикатором присутствия жизни, и палеонтологи относят его к химическим ископаемым (хемофоссилиям). Химические ископаемые образуются, когда в результате разложения организма остаются молекулы, о биологическом происхождении которых свидетельствует их изотопная сигнатура. Графит может не только указывать на присутствие первых живых организмов, но и пролить свет на планетарные процессы и на самое начало тектонических движений плит с образованием зон субдукции. Подобное могло происходить только в том случае, если Земля остывала в гадейском эоне гораздо быстрее, чем полагали ученые ранее[401]. Исследователи утверждают, что углерод во включении, должно быть, имеет континентальное происхождение и указывает на то, что планета остыла гораздо быстрее. Наличие континентов указывает на ранние тектонические процессы. Конечно, такие выводы сделаны на основе очень скудных данных, поэтому споры о том, что значат цирконы для первых живых организмов и что происходило в гадейском эоне, продолжатся до тех пор, пока детали не будут уточнены с помощью моделей и, если повезет, не будут найдены другие образцы, относящиеся к самому раннему периоду истории Земли.

Архейский эон, 4,0–2,5 млрд лет назад

Следующий эон, архей, начался около 4,0 млрд лет назад и состоит из четырех эр: эоархея (ранней), 4,0–3,6 млрд лет назад; палеоархея (древней), 3,6–3,2 млрд лет назад; мезоархея (средней), 3,2–2,8 млрд лет назад и неоархея (новой), 2,8–2,5 млрд лет назад. Стратиграфы не определили точную дату начала архея. По мере того как геологи находят и идентифицируют минералы и горные породы все более древнего возраста, граница эоархея отодвигается все дальше и дальше[402]. Эры архейского эона определены хронометрически с использованием количественных методов датирования минералов и горных пород того времени.

Ранний архей ознаменован и приблизительно совпадает с окончанием тяжелой бомбардировки Земли астероидами и кометами, хотя в период с 3,9 до 3,8 млрд лет назад интенсивность этих процессов возросла, и он называется периодом поздней тяжелой бомбардировки. Физики и астрономы связывают рост интенсивности бомбардировки астероидами и кометами с периодом, когда происходило перемещение газовых планет-гигантов Юпитера и Сатурна с внешних орбит на внутренние и назад[403]. К этой же эре относятся первые свидетельства образования коры на Земле. Возраст горных пород из Западной Гренландии, которые называются зеленокаменным поясом Исуа, составляет 3,8 млрд лет. Геологи предполагают, что кора уже должна была существовать и начинались тектонические движения плит, потому что эти горные породы сформировались в условиях тектонической активности. По мере остывания планеты началась ее дифференциация на различные слои, наблюдаемые сегодня. Эти преобразования привели к «современной тектонике плит»: движению коры и мантии в результате конвекции, которое требовало наличия твердой литосферы и латерального движения кратонов. Кора начала разделяться на более легкие породы, такие как граниты, и более плотный материал – базальты. В период с 3,5 до 2,7 млрд лет назад происходило формирование массивов суши в результате агрегирования коры в легкий, богатый диоксидом кремния материал, объединявшийся в протоконтиненты, и плотный, богатый железом материал, составляющий океаническую кору.

Архей славится тем, что в этом эоне началось взаимодействие оболочек Земли, сформировался первый суперконтинент, происходило обогащение химического состава океанской воды, а также начался переход от второго состава атмосферы к третьему, современному, при помощи первых живых организмов. Основу второго состава атмосферы составляли диоксид углерода, водяной пар, метан и азот. Такая атмосфера уже не исчезала, но почти не содержала молекулярного кислорода. Следовательно, в то время не существовало защитного озонового слоя в стратосфере. Ученые полагают, что как только на Земле начались тектонические процессы, из мантии стали выделяться большие количества азота через трещины, а также в местах столкновения и погружения литосферных плит[404].

Ученые не пришли к единому мнению об источнике воды и времени ее появления на Земле, и исследования продолжаются. Как уже отмечалось, многие исследователи полагают, что условия на Земле в гадейском эоне были слишком жаркими для существования жидкой воды, и она могла появиться только после остывания Земли в архее. При таком сценарии, по утверждению ученых, происхождение воды на Земле связано с астероидами, которые содержали молекулы воды и сталкивались с нашей планетой в период поздней тяжелой бомбардировки[405]. Современные астероиды почти не содержат воды, но наиболее вероятно, что в более ранний период истории Солнечной системы древние астероиды несли гораздо большие количества воды.

Недавние исследования, основанные на анализе изотопов водорода астероидов и метеоритов, показали, что вода на Земле имеет тот же изотопный сигнал, что и изотопы водорода в метеоритах с астероида Веста, находящегося рядом с Землей во внутренней части Солнечной системы. Геохимические данные позволяют предположить, что аккреция планеты могла происходить во «влажных» условиях, при наличии воды, еще с рождения Земли 4,6 млрд лет назад[406]. Согласно этой версии, богатые водой метеориты обеспечили 30 % всего количества воды на Земле с самого начала существования планеты, а остальная вода появилась в результате столкновений с астероидами позднее.

Вероятным источником воды на ранней Земле были не только астероиды и, возможно, метеориты, но и вулканы, которые начали выбрасывать водяной пар наряду с углекислым газом и сероводородом. Геологи считают, что после формирования атмосферы второго состава вулканические извержения служили дополнительным источником воды на планете. Земля занимает уникальное положение в Солнечной системе: это место, где вода может существовать в трех формах – газообразной, твердой и жидкой. Без жидкой воды жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла появиться.

Примерно 3,8 млрд лет назад (хотя некоторые ученые считают, что это могло произойти раньше) Земля остыла до температуры ниже точки кипения (100 °C), и началась конденсация воды и формирование древнего океана[407]. Ученые предполагают, что в архее дождь, возможно, шел тысячелетиями. Круговорот воды во времена второго состава атмосферы начинался с испарения над молодым океаном. Между тем, когда атмосфера Земли уже была защищена магнитосферой, порожденной внешним ядром планеты, в результате вулканической активности выбрасывался углекислый газ и метан.

Первыми живыми организмами на Земле, возможно, были анаэробные бактерии, экстремофилы, из жерл глубоководных гидротермальных построек, которые называются черными курильщиками. Тем не менее фотосинтезирующие живые организмы в составе планктона, возможно, существовали гораздо ранее, чем показывает геологическая летопись. Геологи обнаружили изотопные маркеры биогенного происхождения в горных породах зеленокаменного пояса в провинции Исуа на юго-западе Гренландии, датируемые периодом 3,7 млрд лет и свидетельствующие о наличии одноклеточных организмов и процессе фотосинтеза[408]. Через несколько сотен миллионов лет – 3,4 млрд лет назад – в геологической летописи появляется новая форма жизни – одноклеточные цианобактерии. Цианобактерии были первыми организмами, в отношении которых достоверно установлено, что они осуществляли фотосинтез, преобразовывая углекислый газ в кислород, и образовывали структуры, известные как строматолиты. Сначала весь кислород, произведенный цианобактериями, растворялся в океанской воде, в которой было много восстановленного растворенного железа, делавшего воду зеленой. По мере увеличения концентрации кислорода в воде железо осаждалось в океанических бассейнах, и цвет воды океанов стал голубым. Геологи говорят, что океаны «проржавели» в результате этого процесса около 2,6–2,4 млрд лет назад, в конце архея и начале протерозоя. В результате отложения железа на океаническом дне образовалось огромное количество полосчатых железистых кварцитов, которые являются источником большей части железа, добываемого сегодня.

Строматолиты – древнейшие ископаемые на Земле. Долгие годы самыми древними считали строматолиты возрастом 3,5 млрд лет из австралийской провинции Пилбара, но в 2016 г. геологи обнаружили – тоже в супракрустальных поясах горных пород Исуа на юго-западе Гренландии – гораздо более старые слои строматолитов, возрастом около 3,7 млрд лет[409]. Строматолиты создаются цианобактериями. Большинство цианобактерий жили и по-прежнему процветают на мелководье в чистой воде или в пределах литоральной зоны, слой за слоем создавая округлые холмики из колоний с захваченными частицами между слоями. Геологи обнаружили несколько строматолитов (куполовидных) на глубоководных участках, до 700 м, во Флоридском проливе[410]. Возможно, цианобактерии не были самыми первыми формами жизни на Земле, но они стали первыми фотосинтезирующими организмами и обладали важнейшей способностью поглощать углекислый газ и высвобождать молекулярный кислород как побочный продукт и, как уже говорилось ранее, оказали огромное влияние на изменение состава атмосферы Земли. Современные строматолиты образуются, например, в Индийском океане в заливе Шарк у побережья Австралии и в других местах.

Недавно проведенные исследования показали, что первые живые организмы, появившиеся на Земле в архее, не имели защиты от ультрафиолетового излучения Солнца, но часть первых бактерий, возможно, разработали собственный солнцезащитный экран[411]. Железоокисляющие бактерии обитали в богатых железом океанах и превращали железо из одной формы в другую, обеспечивая себе защиту от солнечной радиации. Такой способностью обладали не все бактерии архея; другие бактерии, жившие примерно в то же время, стали фотосинтезирующими.

Наконец, воздух оказался насыщен достаточным количеством молекулярного кислорода после того, как океаны поглотили весь первоначальный кислород, что приводило, как отмечалось ранее, к их окислению на протяжении длительного времени во время процесса, называемого «кислородной революцией». Ученые полагают, что «кислородная революция» началась в конце архея, 2,65 млрд лет назад, но полное окисление, приведшее к формированию третьего состава атмосферы, вероятнее всего, происходило поэтапно: выделяют не менее семи стадий этого процесса, охватывающих период с конца архея и часть фанерозоя. В конечном итоге в результате «кислородной революции» доля молекулярного кислорода в атмосфере достигла современных значений – 21 %[412].

Исследователи считают, что первоначальный рост насыщения кислородом в архее также был связан с началом формирования суперконтинентов и массивов суши[413]. По мере объединения континентов появились горы, и выветривание и эрозия начали действовать на вершины. В результате переноса выветренного материала осадки и питательные вещества поступали в океаны, что обеспечивало благоприятные условия для живых организмов в морях. Эти процессы подчеркивают гармоничное взаимодействие всех оболочек Земли. Тектоническая активность и выветривание влияли на биосферу за счет обеспечения питательными веществами колоний микроорганизмов, из которых состояли строматолиты. Живые организмы впоследствии оказали влияние на атмосферу в результате высвобождения продукта фотосинтеза – кислорода, который, в свою очередь, способствовал большему росту определенных форм живых организмов.

Свободный кислород в воздухе подвергался воздействию ультрафиолетовых лучей, в результате чего молекулы кислорода за счет поглощения энергии расщеплялись на атомы, которые, соударяясь с другими молекулами кислорода, образовывали молекулы озона, и в стратосфере формировался защитный озоновый слой (чистый O₃). Озон был и остается крайне важным для продолжения развития жизни. Как только живые организмы на Земле оказались защищены озоном от ультрафиолетового излучения, они стали способны существовать в других средах.

Протерозойский эон, 2,5 млрд – 541 млн лет назад

Последний эон перед фанерозойским – протерозойский, он начался 2,5 млрд лет назад и включает три эры: палеопротерозойскую (древнюю), 2,5–1,6 млрд лет назад; мезопротерозойскую (среднюю), 1,6–1,0 млрд лет назад; и неопротерозойскую (новую), 1,0 млрд – 541 млн лет назад. Границы между этими эрами тоже определены хронометрически. В отличие от гадейского эона, внутри которого не выделяют эры, и архея, в котором эры выделены, но нет геологически определенных периодов, эры протерозоя имеют дальнейшее подразделение на три геологических периода, как и эры фанерозоя. Более того, хотя геологи дают название этим периодам по основным геологическим процессам, происходившим в конкретное время, они не являются уникальными «диагностическими» названиями единиц геологического времени[414]. Например, криогеновый период неопротерозойской эры, примерно 720–635 млн лет назад, назван так из-за повторяющихся периодов господства снега и льда во времена Земли-снежка.

В протерозое Земля стала обретать облик, больше напоминающий современный. Как упоминалось при обсуждении архейского эона, уже существовали континенты и тектонические процессы, а также атмосфера, которая была более благоприятной для живых организмов по мере их развития и расселения. Геологи провели анализ докембрийских пород Гренландии и выяснили, исходя из изотопных сигнатур этих пород, что начальная тектоническая активность уже относится к периоду 3,5–3,2 млрд лет назад – архейскому эону[415].

Согласно палеомагнитным данным, начальные движения кратонов относятся к периоду протерозойского эона 1,88–1,11 млрд лет назад[416]. Тем не менее наши возможности по определению событий в далеком прошлом ограничены из-за нехватки свидетельств в виде горных пород того времени и недостатка знаний о магнитном поле до протерозоя. С учетом достижений в изучении палеомагнетизма и обнаружения других, еще более древних пород в конечном итоге могут появиться данные о ранней современной тектонике плит еще в начале протерозоя и даже в архее.

В палеопротерозойскую эру движения литосферных плит, по мере их агрегации из находившихся в зачаточном состоянии континентальных глыб и океанических плит 2,5 млрд лет назад, спровоцировали катастрофические события. Эти процессы ознаменовали начало второй фазы тектонических процессов и появление современной тектонической активности. Единая непрерывная кора – инертная покрышка – больше не существовала. Планета остыла, и геотермический градиент (повышение температуры земных недр с глубиной) увеличился.

С появлением разницы в температурах изменились процессы в мантии, поэтому в коре стали создаваться новые структуры. Фрагменты массивов суши сталкивались, образовывая горные цепи, впадины и зоны швов (участки, где литосферные плиты объединялись под действием сил сдвига и сжатия). Движение крупных литосферных плит, создававшихся и объединявшихся из континентальных глыб на ранних этапах истории планеты, спровоцировало масштабные события, имевшие серьезные последствия. Массивы суши, цепи островов и протоконтиненты сталкивались, и некоторые формировали горные цепи. Одним из примеров ранней тектонической активности служит гренвиллский орогенез – процесс горообразования, который происходил в мезопротерозое, 1,5–1,0 млрд лет назад, когда протоконтиненты объединились в большой массив суши Родинию. Горы Голубого хребта Аппалачей, так же как и Адирондак[417] и нагорья Нью-Джерси, образовались в гренвиллскую эпоху складчатости[418]. Участки, связанные с гренвиллским орогенезом, также известны в Техасе, Мексике и Канаде. В это время океан к юго-востоку от Лаврентии (материка, который станет Северной Америкой) закрывался. Напряжение, вызванное слиянием массивов суши, простиралось на север до Вермонта и Канады и на юг до Техаса, где с этим процессом связано поднятие Льянос, и до участков Центральной Америки[419]. В результате рифтообразования формировались задуговые бассейны, такие как бассейн Японского моря. Образовывались взбросы наряду с метаморфическими поясами и экзотическими террейнами.

Эти блоки со временем объединялись в еще более массивные континенты, сливаясь в зонах швов, где материал скалывался, изгибался и растягивался в результате огромного напряжения. Примеры таких глубоких сколов, помимо других мест, сегодня можно увидеть в поясе Шайенн, расположенном вдоль северо-восточной оси гор Медисин-Боу и Снежного хребта в Вайоминге.

В поясе Шайенн протерозойские островные дуги 1,78–1,75 млрд лет назад столкнулись с более старым, образовавшимся в архее участком – провинцией Вайоминг. Геологи сходятся во мнении, что пояс Шайенн представляет собой самую впечатляющую зону шва в докембрийских горных породах на западе США. Это объединение суши не произошло мгновенно в какой-то момент геологического времени. Наоборот, в течение миллионов лет происходило безжалостное перемалывание и скалывание океанических осадков и материалов островных дуг о молодой континент, сопровождавшееся нагревом, изменениями температуры и давления, под воздействием которых эти материалы деформировались, но горные породы, оказавшиеся между ними, не расплавились.

Геологи обнаружили внутри и рядом с поясом Шайенн на участке Снежного хребта в Вайоминге необычные породы, которые называются мигматитами, и древние строматолиты. Рядом с этими магматитами находятся деформированные горные породы с плотными стрельчатыми складками, такие как сланцы (филлиты) Френч (рис. 8.4, вверху).

Когда-то в протерозойском эоне, еще до процесса сдвига, на окраине Вайоминга, где теперь находятся горы, существовал океан. Кварциты и другие метаморфические породы гор Медисин-Боу у озера Мари первоначально формировались из песка, рифов и прибрежных глин на мелководье океанов, это было до того, как в результате процесса литификации, включая цементацию, они превратились в песчаник, известняк и сланцы соответственно. Океан просуществовал достаточно долго для того, чтобы осадки накопились и литифицировались, по меньшей мере до процесса сдвига, когда литосферные плиты сталкивались и скользили относительно друг друга. Более того, до сдвига известняк претерпел дальнейшее превращение в доломит, поскольку магний в результате циркуляции воды просачивался в его матрицу. В результате столкновения начали действовать метаморфические силы сжатия и сдвига, и песчаник превратился в кварцит, который мы видим сегодня, доломит – в метадоломит, а сланцы в филлиты. Знаки ряби от океанических течений и плоскости напластования по-прежнему видны в кварцитах.

Рис. 8.4. Вверху: стрельчатые складки, сланцы Френч, пояс Шайенн, Вайоминг; внизу: строматолит в метадоломитах из формации Нэш-Форк, Снежный хребет, Вайоминг (фотографии автора, 2017)

Метадоломиты из формации Нэш-Форк немного моложе, чем кварцит, и содержат большое количество строматолитов (рис. 8.4, внизу). Эти строматолиты Вайоминга, возрастом 2 млрд лет, относятся к одним из самых крупных и известны во всем мире. Геологи обнаружили три древние структуры рифов в зоне Снежного хребта, протяженность которых составляет от 55 до 966 м. Были также найдены более 150 биогермов (холмов из водорослевых матов), образованных из строматолитов шириной 1–33 м и длиной 3–33 м. По мнению геологов, протерозойские строматолиты имеют такие большие размеры, потому что никакие роющие или другие животные не мешали их росту.

Строматолиты Снежного хребта, сохранившиеся в метадоломитах, тоже подвергались сдавливанию и деформации во время сжатия и сдвига суши, но их сущность, формы и строение по-прежнему можно увидеть. Изменения окружающей среды были катастрофой для создавших строматолиты древнейших форм жизни. Эти существа, конечно, не осознавали, какая судьба им уготована, но их воплощение в камне стало посланием, отправленным в будущее, которое рассказывает о давно ушедших временах на Земле.

В позднем протерозое, в период между 800 и 750 млн лет назад, суперконтинент Родиния раскололся на меньшие массивы суши, в результате чего образовались три континента: Северная Родиния, Южная Родиния и Конго. Всего через 150 млн лет в результате панафриканского столкновения (панафриканской коллизии), когда эти три массива суши опять слились, сформировался новый континент, Паннотия (Большая Гондвана). Континенты поворачивались и сталкивались в период между 650 и 560 млн лет назад. Но затем суперконтинент Паннотия почти сразу после образования раскололся на четыре континента палеозойской эры: Лаврентию (Северная Америка), Балтику (Европа), Сибирь и Гондвану. Паннотия просуществовала примерно 50 млн лет[420]. В результате панафриканского столкновения, создавшего Паннотию, появились горы, климат стал холоднее, поэтому снизился уровень моря. Ледниковые щиты существовали на обоих полюсах, хотя палеоклиматологи считают, что в районе экватора океан был свободен ото льда, и называют такое состояние «ледниковым миром».

Геологи делают выводы о существовании Паннотии на основании того, что континенты – их шельфы и края – соответствуют друг другу, как кусочки мозаики. Хотя доказательств мало, ученые обнаруживают согласующиеся осадочные и магматические породы одного возраста и состава на когда-то разделившихся континентах. Геологи также подтвердили местоположение Паннотии в неопротерозойскую эру, используя палеомагнитные данные о положении полюсов в тот же период времени.

Цианобактерии, которые в архее начали вырабатывать кислород, продолжили ритмично наполнять его избытками протерозойскую атмосферу. Результаты недавних исследований показывают, что «кислородная революция» охватывает период с начала палеопротерозоя, 2,426 млрд лет назад, до 2,06 млрд лет назад[421]. Возможно, этот процесс привел к первому массовому вымиранию – вымиранию анаэробных бактерий. Ученые утверждают, что окисление было взаимосвязано с формированием крупных магматических провинций на суше, а также с началом обледенения.

В протерозое было запущено несколько механизмов обратной связи между диоксидом углерода, метаном, выветриванием силикатных пород и составом океанской воды, которые привели к понижению глобальных температур. Этот эон знаменит тем, что впервые сформировались условия Земли-снежка, которые на протяжении протерозоя наблюдались три раза, когда вся планета замерзала в результате снижения концентраций углекислого газа и метана, приведшего к глобальному похолоданию, выпадению снега и массовому образованию льда. Как только температура резко упала и более половины поверхности Земли оказалось покрыто льдом, лед стал отражать солнечный свет, что привело к еще большему похолоданию. Это оледенение, известное как Гуронское, состояло, по меньшей мере, из трех периодов и продолжалось с 2,4 млрд до 2,25 млрд лет назад[422]. Последнее оледенение известно только в Южной Африке.

Земля-снежок и появление более сложных живых организмов

В конце протерозойского эона, в неопротерозойскую эру было еще несколько периодов с условиями Земли-снежка, когда вся планета замерзла и на ней господствовали ледники. Первый из этих периодов, начавшийся 720 млн лет назад и продлившийся, вероятно, до отметки 660 млн лет назад, когда он вдруг закончился, известен как стертское оледенение. Геологи отмечают возможное существование еще более раннего, кайгасского оледенения (800–735 млн лет назад), но горные породы, использовавшиеся для определения этого периода, вероятно, имеют не ледниковое происхождение, поэтому сам период сомнителен. Еще один эпизод начался 637 млн лет назад и продлился 2 млн лет. Оба этих эпизода полного или почти полного замерзания Земли относятся к промежутку времени, который из-за двух ледниковых периодов называют криогеновым периодом неопротерозойской эры[423]. Геологам известно, что планета почти полностью замерзла, потому что на юге Австралии, в Южной Африке и на других континентах найдены ледниковые отложения, которые по результатам изотопного анализа относят к указанным периодам[424].

Наряду с ледниковыми отложениями (часть которых была найдена на тех участках, где сейчас находится экватор), во множестве мест были обнаружены неопротерозойские эрратические камни, что подтверждает наличие ледниковых щитов. Такие эрратические камни наблюдаются в местах, где лед встречается с океаном. В результате таяния льда горные породы, увлекаемые ледниковым щитом, высвобождаются и погружаются в залегающий ниже материал, а затем оказываются полностью заключены в оболочку, когда окружающие осадки превращаются в горную породу.

Ученые продолжают спорить о том, покрывал ли лед Землю полностью, или оставался открытый участок воды около экватора («Земля—талый снежок»)[425]. Неважно, какую концепцию ученые сочтут более точной, и та и другая указывают на существование на Земле множества периодов крайнего холода. Условия Земли-снежка, которые мы обсудили здесь, относятся только к тем, что существовали в докембрии. Они представляют криогеновый период.

Сложное равновесие газов в атмосфере, состав океанов, эрозия суши и деятельность живых организмов всегда оказывали огромное влияние на климат на Земле. Пусть содержание углекислого газа в атмосфере в позднем протерозое и было низким, но он все равно был парниковым газом, как и теперь. Диоксид углерода наряду с метаном создавал вокруг всей Земли теплое одеяло. Тем не менее соотношение углекислого газа, кислорода и других газов – это деликатный баланс, но иногда наступает переломный момент и каскадный эффект может оказаться катастрофическим. Палеоклиматологи полагают, что в неопротерозойской эре среднемесячная минимальная температура достигала температур современной Антарктиды, примерно –20 °C. Планета была скована льдами и снегами, сопровождавшимися сильными ветрами, и условия были крайне суровыми. На экваторе существовала открытая вода, но размеры этой области неизвестны. Тем не менее жизнь в такие суровые времена сохранилась в этих зонах вокруг теплых геотермальных построек.

До времен первой Земли-снежка основной формой жизни были цианобактерии – прокариоты, названные так, потому что их клетки не имеют ограниченного мембраной ядра. Однако в самом конце протерозойского эона вдруг возникли новые следы форм жизни, отличающихся от существовавших на планете ранее. Появились эукариоты – организмы, клетки которых имеют ядро. Появление эукариот свидетельствует о росте сложности живых организмов. Эукариоты появляются в виде ископаемых лишь в горных породах возрастом не старше 1,5 млрд лет – как раз перед наступлением условий Земли-снежка. Эти существа стали основой для всех будущих сложных организмов, и с этого момента в геологической летописи быстро появляются новые организмы. Они возникли в начале ледниковых периодов Земли-снежка, когда льды сковали планету, а потом растаяли. Некоторые геологи считают, что экстремальные условия ледниковых эпох действовали как «бутылочное горлышко» в процессе эволюции эукариот и, возможно, способствовали эволюционной радиации в следующей эре, палеозойской, когда живые организмы быстро развивались во время великого кембрийского взрыва биоразнообразия.

Эдиакарская биота представлена крупными мягкотелыми животными, самыми древними из найденных до сих пор на Земле. Они появляются в геологической летописи до возникновения ископаемых, которые обозначают окончание протерозоя, – «мелких ископаемых с раковинами», и до взрывного роста разнообразия многоклеточных в кембрии. Эдиакарская фауна названа так по местности на юге Австралии, где находятся ископаемые остатки этих животных в горных породах, датируемых периодом сразу после первой Земли-снежка[426]. Эдиакарские организмы были обнаружены в сохранившихся рифовых отложениях не только в Австралии, но и в Намибии, на Ньюфаундленде и в Африке. Многие состоят из структур, похожих на пузырьки диаметром 3 см, с соединительной сетью между ними, и считается, что они представляют собой или протогубок, или сложные колонии микроорганизмов. Некоторые из этих многоклеточных организмов были похожи на современных медуз и червей. Еще одно существо, кимбереллу, Kimberella quadrata, сначала идентифицировали как медузу, но недавно классификацию пересмотрели и отнесли ее к моллюскоподобным двусторонне симметричным организмам (рис. 8.5). Как правило, первыми сложноорганизованными животными на Земле считают губок.

Рис. 8.5. Kimberella quadrata (Королевский бельгийский институт естественных наук; фотография Эдуарда Сола Васкеса, 2009)

После появления эдиакарской фауны, на границе между докембрийским эоном и фанерозойским, находят ископаемых мелких животных с раковинами. Это ископаемые остатки множества крошечных существ, длиной всего 1 мм, обладающих твердой наружной раковиной, часто образованной из фосфатного материала. Это первые раковины, зафиксированные в геологической летописи. Палеонтологи обнаружили такие ископаемые в Сибири[427], Намибии и Южном Китае.

Из-за того, что докембрийский суперэон так далеко отодвинут в прошлое, он представляет собой крайне сложный период для изучения. Не прекращаются споры о том, когда произошло усложнение и специализация живых организмов: до Земли-снежка или после. Тем не менее одно несомненно: развитие многоклеточных животных было связано с господством льда и ледников в периоды Земли-снежка.

Исследования показывают, что после таяния ледниковых щитов и возвращения более теплого климата талые воды и ледниковые осадки несли огромные количества фосфора в океан, где он вызвал ускорение расцвета морских живых организмов. Возможно, первые формы жизни проиграли в результате наступления периодов Земли-снежка, но победителями, как мы увидим далее, стали существа, появившиеся в следующем эоне в результате кембрийского взрыва.