Этот дополнительный кислород может сохраняться в воздухе при условии, что он не расходуется другими бактериями для дыхания или на реакции с минералами или газами. При окислении железа каждый атом железа отдает один электрон кислороду, превращаясь в оксид железа. А каждый атом углерода из органического вещества, превращаясь в углекислый газ, отдает целых четыре электрона.
Рис. 3. Изменение соотношения изотопов углерода в конце докембрийского и в начале кембрийского периода. Значения приводятся в частях на тысячу по отношению к эталону PDB. Эталон PDB ― это уровень содержания изотопа 13C в белемните из формации Пи-Ди в Южной Каролине. Белемнит представляет собой форму известняка, образовавшегося в результате обызвествления вымерших моллюсков (родственников кальмаров), которые были широко распространены во время юрского и мелового периодов. Тока на вертикальной оси указывает среднее современное содержание изотопа 13C. Пики на кривой (положительные аномалии) указывают на усиление захоронения органического материала (и, вероятно, на повышение концентрации кислорода), тогда как провалы (отрицательные аномалии) указывают на отсутствие погребенного органического материала. Эти провалы соответствуют предполагаемым периодам оледенения Земли, из которых наиболее значительными были стуртианское (750 ― 730 млн лет назад) и варангерское (610 ― 590 млн лет назад). Символ Fe означает образование полосатых железных гор. Крест указывает момент массового исчезновения микропланктона, предшествовавший появлению эдиакарской фауны ― вендобионтов и первых червей. Рисунок приводится с модификациями с разрешения Нолла и Холланда и Национальной академии наук США
Таким образом, один атом органического углерода при окислении потребляет в четыре раза больше кислорода, чем один атом железа. Это означает, что для предотвращения полного расходования атмосферного кислорода нужно помешать его взаимодействию с органическим веществом, а самый простой способ сделать это — как можно быстрее захоронить органическое вещество в земле.
Важнейшее различие между современными условиями и ситуацией сразу после окончания глобального оледенения состоит в скорости эрозии гор, которая сейчас гораздо ниже, чем была тогда. В норме медленная эрозия уравновешивается медленным захоронением органических веществ: захоронение органического вещества на дне океана под слоем свежих отложений, накопившихся в результате эрозии, происходит медленнее. Поэтому у бактерий остается время расщепить органические вещества, образованные, например, в результате активного роста водорослей, и при этом использовать кислород. Так поддерживается status quо. Напротив, высокая скорость эрозии после окончания оледенения способствовала быстрому осаждению и захоронению органических веществ. Какая-то часть органического вещества при этом неизбежно смешивалась с осадочными породами. Таким образом, после окончания оледенения высокая скорость эрозии должна была приводить к высокой скорости захоронения органики и способствовать сохранению кислорода.
Звучит логично, но можно ли как-то доказать, что скорость эрозии после оледенения была больше обычного? И действительно ли оледенение привело к повышению содержания кислорода в воздухе? Давайте немного поразмышляем. Где искать ответ на эти вопросы? Как узнать, какой была скорость эрозии 590 млн лет назад? Как доказать, что содержание свободного кислорода в атмосфере в этот период выросло? В этом и заключается наука, и меня никогда не переставало удивлять, какие интересные выводы можно получить, если подкреплять четкие рассуждения точными измерениями. Мы действительно можем доказать, что скорость эрозии выросла после окончания оледенения и что этот процесс сопровождался накоплением кислорода в воздухе. Каждый отдельный фрагмент доказательства, возможно, не развеет все сомнения полностью, но в целом, мне кажется, все собранные воедино факты достаточно убедительно показывают, что сразу после окончания ледникового периода наблюдалось повышение концентрации кислорода в атмосфере. Это повышение концентрации кислорода совпадает по времени с эволюцией первых крупных животных — вендобионтов. Вот сжатое изложение имеющихся доказательств, на основании которых вы можете составить свое личное мнение (или восхищаться изобретательностью чужого разума).
Мы начнем с анализа изотопных подписей другого типа. Скорость эрозии в отдаленном прошлом можно определить по соотношению изотопов стронция в морских отложениях карбонатов. Два стабильных изотопа стронция — 86Sr и 87Sr — по-разному представлены в земной коре и в мантии. В мантии выше относительное содержание 86Sr, тогда как в коре больше 87Sr. Основной источник 86Sr в океанах — базальт вулканического происхождения. Базальт постоянно попадает из мантии в океаны через срединно-океанические хребты, откуда медленно распространяется по океанскому дну, а затем вновь погружается в мантию. В морской воде стронций растворяется очень слабо с более или менее постоянной скоростью. Появление растворенного стронция в океане уравновешивается его включением в морские отложения карбонатов, такие как известняк (карбонат кальция). Дело в том, что стронций может вытеснять родственный ему кальций из кристаллической решетки известняка. Поскольку все эти процессы происходят с постоянной скоростью, казалось бы, относительное содержание изотопа 86Sr в известняке не должно сильно изменяться. Однако это не так? и виноват изотоп 87Sr.
Количество 87Sr в океане зависит от скорости эрозии земной коры на континентах. Оледенения и образование гор усиливают эрозию и способствуют попаданию стронция в реки, а затем и в океаны. Как и 86Sr, 87Sr тоже включается в известняк. Соотношение 86Sr и 87Sr в известняке зависит от их относительного содержания в морской воде. В периоды сильной континентальной эрозии больше 87Sr попадает в океаны и включается в морские отложения. Таким образом, соотношение двух изотопов стронция и известняках позволяет оценить скорость эрозии в период формирования этих отложений. В соответствии с данными Алана Кауфмана из Университета Мэриленда и его коллег Стейна Якобсена и Эндрю Нолла из Гарварда отношение 87Sr к 86Sr в морских карбонатных отложениях начало расти сразу после окончания ледниковых периодов, что указывает на высокую скорость эрозии. Кроме того, корреляция между соотношением изотопов углерода (захоронено больше 12С) и изотопов стронция (больше 87Sr в горных породах) указывает на то, что высокой скорости эрозии действительно соответствует высокая скорость захоронения органических веществ. И это приводит к повышению содержания кислорода в воздухе.
Два независимых метода подтверждают рост концентрации кислорода. Первый метод основан на анализе изотопов серы в пиритах — сильфидах железа (FeS2). О возможностях этого метода впервые сообщил Дональд Кенфилд в 1996 г. в журнале Nature. В главе 3 мы уже обсуждали результаты Кенфилда, основанные на анализе поведения сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфат до сероводорода. В данном случае он применил свой метод для анализа более поздних событий. Тогда Кенфилд работал с Андреасом Теске в Институте морской микробиологии Макса Планка в Бремене. Они показали, что поворотный момент в использовании серы бактериями произошел вскоре после завершения последнего глобального оледенения. Дo этого на протяжении 2 млрд лет под действием сульфатредуцирующих бактерий образовывался осадок сульфидов железа, содержавших примерно на 3% больше изотопа 32S, чем в образцах абиотического происхождения. Но вдруг после завершения последнего оледенения около 590 млн лет назад этот показатель вырос до 5%. И так продолжается до сих пор, так что данный показатель фактически является признаком современной экосистемы. Что же произошло?
