Показатель 3% объяснить легко. Сульфатредуцирующие бактерии превращают сульфат в сероводород в одну стадию. В результате этого простого процесса содержание изотопа 32S в сероводороде повышается примерно на 3%. Далее обогащенный сероводород может взаимодействовать с железом с образованием пиритов. Однако обогатить сероводород изотопом 32S на 5% в одну стадию нельзя. Это возможно только при реутилизации сырьевых материалов: таким же образом можно сконцентрировать углекислый газ, если дышать в пластиковом пакете.
Для реутилизации сероводорода нужен кислород. Процесс заключается в следующем. Сульфатредуцирующие бактерии обитают в неподвижном иле на дне моря. Выделяемый ими сероводород преодолевает толщу воды и реагирует с растворенным в воде кислородом. Между анаэробной придонной зоной и аэробной поверхностной зоной возникает смешанная зона. В наше время в этой зоне обитает множество изобретательных бактерий, способных утилизировать серу. Некоторые из них окисляют сероводород, производя элементарную серу, другие вновь превращают элементарную серу в смесь сульфата и сероводорода. Поскольку этот сульфат образуется биологическим путем, он обогащен изотопом 32S. Сульфатредуцирующие бактерии используют регенерированный биологическим способом сульфат и опять превращают его в сероводород. В результате каждого цикла происходит обогащение сульфатов и сульфидов изотопом 32S. В конечном итоге они обогащаются примерно на 5%. Это некое равновесное состояние. Сероводород реагирует с железом с образованием пиритов. Тяжелые пириты осаждаются на дно, поддерживая равновесие в системе.
Кенфилд и Теске считают, что экосистемы «современного» типа, которым нужен современный уровень кислорода, начали развиваться после завершения последней фазы «Земля-снежок». Они прибегают к помощи метода молекулярных часов, который подтверждает, что в это время выросло количество видов бактерий, перерабатывающих серу. Таким образом, Кенфилд и Теске считают, что увеличение содержания кислорода в воздухе практически до современного уровня началось в конце докембрийского периода.
Второй метод, подтверждающий повышение концентрации кислорода в воздухе, основан на анализе так называемых редкоземельных элементов. Соотношение этих следовых элементов, таких как церий. в морских карбонатах зависит от их соотношения в морской воде в момент образования отложений, которое, в свою очередь, определяется их растворимостью. Растворимость многих элементов связана с содержанием кислорода. Мы уже знаем, что в присутствии кислорода растворимость соединений железа снижается, а соединений урана — повышается. И если мы проследим за изменением относительного содержания различных элементов в горных породах (каких-то становится больше, каких-то меньше), мы сможем оценить степень насыщенности океанов кислородом в момент формирования этих пород. По данным Грэхэма Шилдса из Университета Оттавы (Канада) и Мартина Брейзиера из Оксфорда, в морских отложениях карбонатов, образовавшихся на территории современной Монголии во время последнего глобального оледенения и сразу после него, отразился сдвиг распределения редкоземельных элементов, свидетельствующий о повышении содержания кислорода в океане.
Уникальное сочетание данных — изотопные подписи углерода, серы, стронция, а также распределение редкоземельных элементов — свидетельствует о повышении концентрации кислорода в атмосфере. По-видимому, сильнейшие изменения климата за 160 млн лет глобального оледенения привели к росту концентрации кислорода практически до современного уровня. Но в это же время после перерыва длительностью около миллиарда лет вновь начинают появляться полосатые железные горы, что говорит о наличии в океане большого количества растворенного железа. Это означает, что в глубинах океана кислорода было мало.
Итак, после последнего великого оледенения (варангерского оледенения, закончившегося 590 млн лет назад) в воздухе и в поверхностных водах оказалось много кислорода (таким воздухом мы могли бы дышать), но в глубинах океана по-прежнему было мало кислорода и много сероводорода, как в современном Черном море. Затем вдруг всего за несколько миллионов лет в этом чудном новом мире появляются первые крупные животные: плавающие на мелководье странные мешки протоплазмы, называемые вендобионтами, и ползающие по дну континентальных шельфов черви. Данное время характеризуется невероятно высоким потенциалом. Странно, но реализация этого потенциала как раз и привела к его быстрому исчерпанию.
Ницше однажды заметил, что человека нельзя спутать с Богом, поскольку человек имеет пищеварительную систему и вынужден испражняться. В статье в журнале Nature, опубликованной в 1995 г., Грэхэм Лоуган и его коллеги, тогда работавшие в Университете Индианы, возражали Ницше, утверждая, что наше сходство с Богом и само наше существование возможно только благодаря дефекации. Они считают, что фекальные массы, произведенные первыми крупными животными, очистили океаны, открыв путь кембрийскому взрыву. Пожалуй, это одна из самых приземленных теорий о климатических изменениях конца докембрийского периода.
Основываясь на детальном анализе изотопов углерода в молекулярных ископаемых, Лоуган и его группа обнаружили, что практически все органические вещества, образовавшиеся за длительный период застоя от 1,8 млрд до 750 млн лет назад, не были захоронены в виде осадочных пород, а оказались расщеплены и вновь использованы бактериями, обитавшими на больших глубинах. Отмершие остатки мельчайших, практически невесомых бактерий очень медленно погружаются на дно, так что «потребители» успевают использовать содержащийся в них органический углерод. Поскольку бóльшая часть углерода использовалась повторно, захоронено было сравнительно немного. А так как кислород накапливается только тогда, когда углерод уходит в землю, кислород концентрировался в воздухе очень медленно, и не было стимулов для эволюции. Более того, диффундировавший в глубь океана кислород нейтрализовался поднимавшимся сероводородом; такое равновесие может длиться бесконечно. В заключительной фазе самого первого глобального оледенения (2,3 млрд лет назад) высокая скорость эрозии и захоронения углерода привела к значительным изменениям, но органический дебрис закончился, и восстановилась исходная ситуация, характеризующаяся очень медленным захоронением углерода. Возобновление равновесия после оледенения, возможно, объясняет тот факт, что уровень кислорода в атмосфере на протяжении следующего миллиарда лет не поднимался выше 5 — 18% по отношению к современному. И бактерии никогда не смогли бы расшатать это бесконечно устойчивое равновесие.
Лоуган считает, что сдвинуть равновесие позволила эволюция животных, обладающих пищеварительным трактом, причем этот скачок был возможен только в мелких водоемах в присутствии кислорода (только дыхание кислородом обеспечивает достаточное количество энергии, необходимое для эволюции многоклеточных животных с кишечником). Сравнительно тяжелые экскременты этих животных быстро погружались на дно сквозь популяцию анаэробных сульфатредуцирующих бактерий. Удобрив дно океана, экскременты были захоронены под другими отложениями, лишив сульфатредуцирующие бактерии органического углерода, а также (посредством собственного погребения) внося вклад в насыщение кислородом вышележащих слоев воды. Недостаток питания в сочетании с насыщением кислородом все более глубоких слоев воды должен был ускорить перемещение этих бактерий в анаэробную придонную зону.
