Более точный метод датирования изменений концентрации кислорода был предложен ведущим специалистом в этой области Дональдом Кенфилдом из Университета Южной Дании. Он написал по этому поводу целую серию статей, опубликованных в журналах Science и Nature. Кенфилд использовал не совсем прямой путь, прибегнув к помощи сульфатредуцирующих бактерий. Его метод основан на два наблюдениях.
Во-первых, сульфатредуцирующие бактерии извлекают энергию из реакции восстановления сульфата (SO42-) водородом с образованием сероводорода. В современных морях сульфата довольно много (примерно 2,5 г/л), но в начале докембрийского периода его должно было быть значительно меньше, так как для его образования нужен кислород. Это предположение подтверждается тем, что на первозданной Земле не было эвапорита (осадочной соли) сульфата, такого как гипс. Если сульфат образуется только в присутствии кислорода, сульфатредуцирующие бактерии не могли эволюционировать до появления кислорода в атмосфере. Можно пойти дальше: поскольку низкое содержание сульфата лимитирует скорость реакции, осуществляемой сульфатредуцирующими бактериями, и не позволяет им расти в проточной воде, активность бактерий зависит от концентрации кислорода. Иначе говоря, хотя сульфатредуцирующие бактерии являются строгими анаэробами (кислород их убивает), они не могут жить в мире, в котором нет кислорода, и их активность, в конечном счете, зависит от наличия кислорода.
Второе наблюдение Кенфилда связано с изотопами серы. Как фотосинтезирующие организмы оставляют в камнях изотопные подписи углерода, так сульфатредуцирующие бактерии оставляют изотопные подписи серы, поскольку умеют различать два стабильных изотопа серы с массой 39 и 34. Как и в случае изотопов углерода, более легкий изотоп 32S обладает чуть более высокой колебательной энергией, и поэтому ферменты охотнее катализируют реакции с его участием. По этой причине сульфатредуцирующие бактерии выделяют сероводород, обогащенный изотопом 32S, а изотоп 34S остается в воде. При определенных условиях сероводород и сульфат могут осаждаться из океанской воды и участвовать и образовании горных пород. И в этих горах можно прочесть изотопные подписи серы. Тем, кто еще не видит прямой связи между минералами и живой природой, может показаться удивительным, что сероводород взаимодействует с растворенным железом с образованием пирита, который осаждается на дно. Пирит может иметь как вулканическое, так и бактериальное происхождение. В отличие от пиритов вулканического происхождения с постоянным соотношением изотопов серы, пириты биологического происхождения несут на себе оставленное жизнью клеймо — в них соотношение изотопов отличается от стандартного соотношения.
Кенфилд проанализировал отложения пирита докембрийского периода и нашел в них изотопные подписи серы. Первые признаки отклонения от стандартного соотношения изотопов обнаружены в образцах с возрастом около 2,7 млрд лет, что указывает на повышение содержания кислорода в атмосфере в тот период. Интересно, что это практически точно совпадает со временем появления первых эукариот в Хамерсли по данным Йохена Брокса и его коллег. После этого на протяжении полумиллиарда лет не замечено никаких серьезных изменений. Затем, примерно 2,2 млрд лет назад, в пиритах обнаруживается резкий подъем содержания изотопа 32S. По-видимому, количество сульфата в океане выросло настолько, что могло поддерживать существование гораздо более значительной популяции сульфатредуцирующих бактерий. Это, в свою очередь, указывает на сильное увеличение концентрации кислорода, необходимого для образования сульфата. Таким образом, из работ Кенфилда следует, что первый незначительный рост концентрации кислорода произошел около 2,7 млрд лет назад, а затем более серьезный — примерно 2,2 млрд лет назад.
Однозначно подтвердить наличие кислорода в воздухе можно только по показателям окисления суши, поскольку они не могут быть замаскированы биологическими процессами. За миллиард лет до появления сухопутных растений и животных наземная популяция микробов была несопоставимо беднее популяции их морских сородичей. Поэтому широкое распространение минералов железа на суше является самым веским доказательством присутствия кислорода в атмосфере. Такие минералы найдены в ископаемых почвах (палеопочвах) и в так называемых континентальных красноцветных отложениях.
В серии классических экспериментов геохимики Роб Рай и Генрих Холланд из Гарвардского университета проанализировали содержание железа в палеопочвах и использовали полученные данные для датирования изменений концентрации кислорода в атмосфере. Они рассуждали следующим образом. Поскольку железо находится в растворимой форме в отсутствии кислорода и в нерастворимой форме в присутствии кислорода, в очень древних почвах (образовавшихся тогда, когда кислород в воздухе еще не появился) железа быть не должно, а в более поздних почвах (образовавшихся после появления кислорода) оно должно присутствовать. Определяя содержание железа в почвах, Холланд и Рай показали, что значительное повышение концентрации кислорода в воздухе произошло в период от 2,2 до 2 млрд лет назад. На основании количества железа в образцах и степени его окисления они заключили, что в этот период содержание кислорода в воздухе достигло 5 — 18% от современного уровня.
Эти данные подтверждаются появлением континентальных красноцветных отложений примерно 2,2 — 1,8 млрд лет назад. Отложения песчаника, вероятно, образовались в процессе эрозии горных массивов за счет реакции свободного кислорода с железом. Тогда по бесплодной поверхности Земли протекали красные реки — сейчас мы так представляем себе ядерную зиму. Но некоторые вымытые эрозией минералы не попадали в море, а оставались в долинах или намывных равнинах, образуя сланцевые отложения. Поскольку они образованы продуктами эрозии, мы можем ориентироваться на них только для оценки временнóго интервала, но не для определения концентрации кислорода в воздухе
[15]. Временные рамки изменений концентрации кислорода в воздухе, определенные с помощью углеродных подписей в горах Гренландии и красноцветных отложений, отражены на рис. 2.
Рис. 2. Геологическая временнáя шкала, отражающая события середины докембийского периода (архей и ранний протерозой). Обратите внимание на расцвет эволюции в период от 2,3 до 2 млрд лет назад, связанный с ростом концентрации кислорода в воздухе до 5 ― 18% по отношению к современному уровню
Еще одним свидетельством роста концентрации кислорода около 2 млрд лет назад являются необычные микроископаемые — природные ядерные реакторы, обнаруженные в Окло (Габон, Западная Африка). Растворимость урана, как и железа, зависит от кислорода. Но, в отличие от солей железа, в присутствии кислорода растворимость солей урана повышается. Основным минералом урана в горах старше 2 млрд лет является уранинит (настуран), но в более молодых горах эта руда встречается крайне редко. Этот резкий переход связан с ростом концентрации кислорода. По-видимому, с повышением концентрации кислорода окисленные соли урана стали вымываться из урановых руд в горах и попадать в реки. Их концентрация не могла быть выше нескольких частей на миллион.
