ГЛАВНЫЕ ГЕОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ВЕХИ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Геологическая история Земли делится на четыре этапа. Первый – скрыто тектонический - катархей (4,6–4,0 млрд лет назад). Второй - архей (4,0–2,6 млрд лет назад). Третий -протерозой и фанерозой (2,6–0,0 млрд лет назад плюс еще около 1,5 млрд лет в будущем), Земля развивается по законам тектоники литосферных плит. Последний, четвертый этап развития Земли, определяется ее тектонической смертью (приблизительно через 1,5 млрд лет в будущем), приблизительно через 600 Ма в будущем должна начаться дегазация из мантии эндогенного кислорода, освобождающегося при образовании “ядерного” вещества из еще сохранившихся в мантии, но предельно окисленных соединений железа. Этот процесс должен привести к сильнейшему парниковому эффекту и гибели всего живого на Земле.

Важнейшим фактором, обеспечивающим жизнь на Земле, является среда обитания живых организмов, и прежде всего океаны и атмосфера, происхождение и развитие которых связано с дегазацией планеты. Начавшаяся на рубеже катархея и архея дегазация Земли, привела к образованию в архее плотной углекислотно-азотной атмосферы. В архее же появились вулканы, дифференцированные магматические породы и возникли первые изолированные мелководные морские бассейны, соединившиеся к середине архея в единый мелководный океан. Благодаря атмосферному давлению от 2 до 6 атм средние температуры океанических вод и приземных слоев тропосферы, в архее поднялись до +30…+50 °С, а из-за углекислотного состава атмосферы, воды океанов характеризовались кислой реакцией (pH = 3–5).

Первый этап развития земной жизни пока полностью не ясен, но начиная с 3,6–3,5 млрд лет назад уже известны строматолиты. В серии Онвервахт Южной Африки (3500-3300 Ма) строматолиты имеют кремневый состав и слагают небольшие по мощности и протяженности слои, залегающие среди пластов кремней в вулканогенных породах зеленокаменного пояса.

В середине архея земная жизнь была более разнообразна с полным господством термофильных прокариотных форм, в основном архиабактерий с халькофильной и сидерофильной специализацией. Источниками энергии им служили хемогенные реакции типа тех, которые в настоящее время используются термофильными бактериями в “черных курильщиках”, а также другие анаэробные хемогенные реакции.

В связи с тем, что в архейской конвектирующей мантии над зонами дифференциации земного вещества концентрация свободного железа была пониженной, в архейской атмосфере в небольших количествах мог присутствовать и кислород, освобождаемый благодаря фотодиссоциации паров воды жестким излучением Солнца и жизнедеятельности цианобактерий, которые в то время уже появились, поскольку в архее встречаются строматолиты.

В середине архея, около 3,1 млрд лет назад, масса воды в гидросфере Земли увеличилась так, что отдельные морские бассейны стали сливаться друг с другом в единый Мировой океан и его поверхность тогда же перекрыла гребни срединно-океанических хребтов. В результате активизировались процессы гидратации океанической коры и увеличилась поставка в океаническую кору карбонатов кальция, что привело в конце архея к увеличению отложений карбонатных осадков (например, мраморов и кальцифиров Слюдянской серии в Забайкалье), а также строматолитовых отложений в зеленокаменных поясах того времени.

Второй радикальный геолого-биологический рубеж был связан с выделением земного ядра и резким снижением тектонической активности Земли на рубеже архея и протерозоя (около 2,6 млрд лет назад). Именно тогда в океанической коре впервые возник серпентинитовый слой, главный и постоянно обновляемый резервуар связанной воды в земной коре. Известно, что гидратация ультраосновных пород сопровождается поглощением углекислого газа и его связыванием здесь и в карбонатах. Этим следует объяснять сравнительно быстрое удаление из атмосферы углекислого газа и падение общего атмосферного давления с 6 атм и температур с +50…+60 °С в архее приблизительно до 1 атм и +6… +7 °С в начале раннего протерозоя, что привело к резкому похолоданию климата и возникновению (около 2,5 млрд лет назад) первого в истории Земли ледникового периода.

Однако надо учитывать, что в конце архея и начале протерозоя в мантию Земли из центральных областей поднялось много первичного вещества с высокой концентрацией металлического железа. Масса железа, поступавшего в раннем протерозое через рифтовые зоны Земли в океаны, значительно превосходила возможную генерацию кислорода в биосфере раннего протерозоя и в атмосфере раннего протерозоя было исключительно мало кислорода, не выше 10–6 атм, а во время массового отложения джеспилитов, около 2,2–2,0 млрд лет назад, еще ниже (вероятно, около 10–8–10–9 атм), но в отличие от архейской атмосферы в ней уже было несколько мбар углекислого газа.

Это позволяет предположить, что именно в эпохи массового отложения железорудных формаций появились железобактерии, потребляющие кислород благодаря восстановлению трехвалентного железа до фазы магнетита. Дефицит кислорода мог активизировать симбиотические процессы в жизни простейших бактерий, образование в них метахондрий и клеточных ядер, послуживших позже основой появления эвкариотных форм жизни.

Таким образом, атмосфера Земли в раннем протерозое, около 2,5–2,0 млрд лет назад, состояла из азота с небольшими добавками водяного пара, аргона и углекислого газа.

Такие резкие изменения условий обитания сказались на биоте того времени. Сообщество термофильных прокариот уступило место более холодолюбивым бактериям и микроводорослям. С этими событиями в биоте океанов была связана революционная перестройка: уже в начале раннего протерозоя широко распространились фотосинтезирующие микроорганизмы − сине-зеленые водоросли и произошел резкий в геологической истории рост обилия строматолитов (Семихатов и др., 1999), пришедшийся на эпоху массового отложения железорудных формаций (архейские строматолиты по массе значительно уступают раннепротерозойским). В архее были распространены в основном одиночные сферические и нитчатые нанобактерии, трихомы и нити цианобактерий. Разнообразие раннепротерозойских микрофоссилий простирается от цианобактерий, коккоидных форм, трихом до отпечатков крупных морфологически сложных спиральных, лентовидных, круглых и сферических форм.

В начале раннего протерозоя (2600-2500 Ма), после возникновения серпентинитового слоя океанической коры, резко упала концентрация углекислого газа в атмосфере, а в гидросферу поступали огромные массы магнезиально-кальциевых карбонатов и образовались мощнейшие толщи хемогенных и органогенных доломитов. В это время отложились мощные карбонатные толщи (до 500–1700 м) серии Уален Мичигана и серии Трансвааль в Южной Африке с приуроченными к ним строматолитами.

В среднем протерозое после массового отложения железорудных формаций раннего протерозоя (после 2,0–1,8 млрд лет назад), в земной атмосфере происходит повышение парциального давления кислорода. В результате бурно развиваются одноклеточные бактерии и водоросли и появляются первые эвкариотные одноклеточные организмы, образовавшиеся благодаря эндосимбиозу прокариотных бактерий.

Метаболизм эвкариотных микроорганизмов связан с поглощением небольших количеств кислорода, поэтому они могли широко распространиться только после повышения его парциального давления до уровня порядка 10–3 от его современного значения, поэтому на рубеже среднего и позднего протерозоя началась глубокая перестройка трофической структуры океана, связанная с бурным распространением эвкариотных организмом и фитопланктона.

Не исключено и заселение сушив среднем протерозое, о чем свидетельствуют впервые появившиеся красноцветные коры выветривания (Анатольева, 1978). Связывание азота в органическом веществе таких бактерий и дальнейшее захоронение соединений азота в осадочных толщах должно приводить к снижению общего давления атмосферы и следствием этого стало похолодание климата в конце протерозоя. В результате в позднем рифее–венде, а также в раннем и среднем палеозое наблюдалась новая эпоха оледенений.

Переход атмосферы на рубеже архея и протерозоя от химически активного углекислотного состава к нейтральному сказался на организации жизни. С этим следует связывать появление в протерозое эвкариотных одноклеточных организмов и водорослей с четко обособленным ядром и другими органами. Отсюда видно, что второй крупный тектоно-геохимический рубеж докембрия радикально изменил геодинамику Земли и экологическую обстановку.

Это и последующее развитие биоминерализации, рост биологической продуктивности и прогрессирующая колонизация бентали повлекли существенные изменения седиментогенеза. На период расцвета строматолитов в ятулийское время раннего протерозоя (2,3–2,06 млрд лет назад) приходится положительная аномалия изотопного состава карбонатного углерода (d13C до +12…+15 ‰ PDB) из-за уникальной по масштабам экспансии цианобактериальных экосистем, запечатленная в строматолитовой летописи.

Такой расцвет биопродуктивности приходится на период массового отложения железорудных формаций, когда парциальное давление кислорода былосамым минимальным за всю историю развития жизни на Земле, так как цианобактерии могут развиваться в бескислородной среде. Но в раннем протерозое, одновременно с выносом окислов железа из рифтовых зон происходила и обильная генерация метана. Несмотря на низкое давление углекислого газа в атмосфере раннего протерозоя, его дегазация из мантии была в три раза выше, чем сейчас и во время отложения раннепротерозойских железорудных формаций скорость генерации абиогенного метана была в три раза выше современной и достигала 10 млн т/год при скорости дегазации ювенильного СО2 около 32 млн т/год. В бескислородной среде раннего протерозоя этот метан не окислялся и расходовался на питание метанпотребляющих бактерий, что предопределило расцвет строматолитов.

С другой стороны, благодаря изотопному фракционированию углерода в обменных реакциях углекислого газа с метаном:

12СО2 + 13СН4 ---13СО2 + 12СН4

метан обогащается легким изотопом углерода, а остающийся углекислый газ, затем переходящий в карбонаты, наоборот, становится изотопно более тяжелым. С этим связано возникновение отрицательных изотопных аномалий органического углерода d13Cорг во время отложения железорудных формаций конца архея и в раннем протерозое). Это явление могло стать одной из главных причин возникновения ятулийской положительной аномалии изотопного состава карбонатного углерода в раннем протерозое d13Cкарб, достигавшей +12…+15‰ (Семихатов и др., 1999).

В дальнейшем после окончания эпохи железорудного накопления и последовавшего за этим повышения парциального давления кислорода в атмосфере, большая часть метана стала окисляться по реакции СН4 +2О2 ---СО2 +2Н2О, а “легкий” углерод метана стал возвращаться в карбонатный резервуар. В результате это привело к исчезновению положительной изотопной аномалии углерода.

Суммарная биомасса фитопланктона, генерирующего кислород в океане, определяется количеством растворенных в его водах соединений фосфора (Шопф, 1982), но его концентрация в океанских водах равновесна по отношению к базальтам океанской коры и близка к современной. Отсюда следует, что масса фитопланктона увеличивалась пропорционально росту массы воды в океане. Если бы не существовало процессовсвязывания кислорода в породах, то и его накопление в атмосфере Земли подчинялось бы этой же закономерности.

Важно обратить внимание на присутствие в докембрийской мантии свободного (металлического) железа. Вместе с мантийным веществом это железо попадало в рифтовые зоны срединно-океанических хребтов, где на контакте с водой окислялось до растворимой двухвалентной гидроокиси в форме бикарбоната, разносившейся по океану. Двухвалентная гидроокись железа является активным поглотителем кислорода, поэтому большая часть кислорода, продуцировавшегося фитопланктоном докембрия, расходовалась на окисление двухвалентной гидроокиси железа до трехвалентного состояния (например, в форме гетита). Этим следует объяснять не только возникновение мощнейших залежей железных руд докембрия, но и низкое парциальное давление кислорода в атмосфере. В процессе химико-плотностной дифференциации железо вместе с его окислами переходило из мантии в земное ядро, однако полностью оно исчезло только на рубеже протерозоя и фанерозоя. После полного перехода металлического железа из мантии в ядро около 600 Ма, исчез главный “потребитель” кислорода на Земле, и этот живительный газ начал накапливаться в атмосфере.

Мощным механизмом поглощения кислорода является и процесс разложения органических остатков после смерти организмов. Захоронение органического углерода в осадках в форме углеводородов или углей ведет к накоплению кислорода в атмосфере. В протерозое и раннем палеозое наземной растительности не существовало и до середины палеозоя не было угленакопления, но консервация углеводородов в океанических осадках, битумных и черных сланцах происходила уже в докембрии, причем следует ожидать, что мощность этого процесса в протерозое была даже большей, чем в фанерозое, поскольку тогда в океанах господствовала восстановительная обстановка и органические остатки фитопланктона консервировались в осадках без окисления. К настоящему времени древние бассейны нефтегазонакопления не сохранились, а были графитизированы или уничтожены последующими тектоническими процессами. Поэтому их количественное распространение в современных геологических разрезах не может служить критерием оценки интенсивности этих процессов в ранних эпохах, хотя шунгиты, графитизированные породы и черные сланцы широко распространены и в докембрии.

Скорость генерации кислорода в протерозое была соизмеримой с современной. Но в докембрии почти весь кислород, освобождавшийся благодаря фитопланктону, поглощался окислением железа. В результате парциальное давление атмосферного кислорода, остававшееся низким, в венде стало быстро повышаться. После перехода парциальным давлением кислорода точки Пастера (10–2 современного уровня) в конце протерозоя и в венде произошла следующая радикальная перестройка жизни.

Биологическая эволюция на это ответила взрывом новых форм, появлением многоклеточных водорослей и возникновением метазоа – многоклеточных представителей царства животных, метаболизм которых построен на потреблении кислорода из внешней среды. Кроме того, в начале кембрия появились скелетные организмы и практически все известные и сегодня типы организмов.

Третий геолого-биологический рубеж на переходе от протерозоя к фанерозою ярко отразился в геологической истории Земли и радикальным образом изменил экологическую обстановку на ее поверхности: отныне земная атмосфера из восстановительной или нейтральной превратилась в окислительную. В этой новой ситуации наиболее эффективными оказались те формы жизни, обмен веществ которых был построен на реакциях окисления органических веществ, синтезируемых царством растений.

С наступлением фанерозоя в атмосфере появился кислород. Развитие жизни стало носить характер
биологического взрыва и формы дерева эволюции.