Великое кислородное событие: как микробы преобразовали Землю

Много-много лет назад….

Великое кислородное событие – «Great Oxigenation Event» (по Г.Холланду) или кислородный скачек или кислородная катастрофа или кислородная революция произошла на Земле в палеопротерозое (начался около 2,5 млрд. лет назад).

Длительное время свободный кислород, который генерировали фотосинтезирующие микроорганизмы, почти весь тратился на окисление горных пород. Находки самых древних микроорганизмов в виде окаменелостей датируются возрастом около 3,5 млрд. лет. По некоторым косвенным признакам микроорганизмы-прокариоты существовали около 3,9 млрд. лет назад. И, вероятно, некоторые из них были способны осуществлять фотосинтез с выделением свободного кислорода.

Но, условия в атмосфере и на земной поверхности все это время были восстановительными. Такое предположение обосновано геохимическими данными: в древних породах присутствуют пирит, графит, магнетит, сидерит, лазурит, уранинит, железо-марганцевые руды, т.е. веществ, которые в кислородной атмосфере возникнуть не могли.

Пирит

Уранинит

Вероятно, поступающий в атмосферу от деятельности фотосинтезирующих микроорганизмов кислород тратился на окисление железа (а его на Земле много) и вулканических газов (метан, сероводород, аммиак).

И вот происходит резкое изменение восстановительных условий – на окислительные. Точный момент переворота – Великого Кислородного События – установить сложно. Но 1,9 млрд. лет назад содержание кислорода стало 1% от современного (первая точка Пастера).

По Роберту Хейзену («История Земли…») резкое увеличение кислорода в атмосфере более 1% от современного уровня произошло между 2,4 и 2,2 млрд. лет назад.

Появление кислорода в атмосфере активизировало процессы выветривания железосодержащих магматических пород, превращая их в ржаво-красную кору выветривания. Суша приобрела ярко-красную окраску – цвет ржавчины. Можно сказать: приобрела «марсианский облик».

Как-то так.

Хотя, наверное, не совсем так. Ведь обнаружены неоархейские (2,6-2,7 млрд. лет назад) палеопочвы, обогащенные органическим веществом, образованном микробным матом (по Y. Watanabe et al. – Geochemical evidence for terrestrial ecosystems 2.6 billions years ago //Nature. 2000. – V. 408. – P. 576–578). Но все же на суше доминировали «марсианские» ландшафты.

Почти "одновременно" с Великим кислородным событием совпадают несколько других событий.

Так, подозрительным образом в начале протерозоя начинаются первые оледенения. Обнаружены следы два крупных оледенения, которые диагностируются по древним моренам, содержащим валуны с ледниковой штриховкой (тиллиты). Тиллиты древнейшего оледенения (2,5-2,4 млрд. лет) известны в Канаде, Африке (входят в состав серии Витватерсранд), Индии. Толща пород, содержащая тиллиты, налегает на гладкую отполированную поверхность архея с ледниковыми штрихами. Следы второго оледенения (около 2 млрд. лет) выявлены в Канаде, Африке и Карелии.

Одна из причин: кислорода стало достаточно, чтобы окислить атмосферный метан – главный парниковый газ.

На палеопротерозой приходится эпоха накопления огромных месторождений железных руд – джеспилитов.

Джеспилит

В течение сотен миллионов лет палеопротерозоя содержание кислорода колебалось  в широких пределах, но не еще  достигала и 1% от современного. Такие переменные условия, видимо, были благоприятны для формирования мощных толщ джеспилитов (железистых кварцитов – тонкослоистых железо-кремнистых пород, в которых тонкие железистые прослойки (магнетит и гематит) чередуются с тонкозернистым кварцитом). Предполагается, что джеспилитовые толщи образовывались в прибрежной зоне древних морей. В современном мире такое просто невозможно. Объяснить этот парадокс пытались с помощью различных гипотез. Например, предполагалось, что эпоха образования джеспилитов – это эпоха исключительно сильной магматической деятельности (источник железа – мощная подводная вулканическая и фумарольная деятельность); что в эпоху джеспилитов Земля прошла через облако космической железистой пыли, которая выпала на поверхность и накопилась; что в условия тропического климата формировались мощнейшие железистые коры выветривания ультраосновных и основных пород, продукты разрушения которых сносились в прибрежные бассейны. Правда, чтобы объяснить, откуда такое железное облако взялось, нужна еще одна гипотеза…

Джеспилит

Вопрос об источники джеспилитов решается только в случае предположения о слабоокислительном или слабовосстановительной характере протерозойской атмосферы. В таких условиях железо могло находиться на поверхности Земли (или в водной среде) в закисной химически подвижной форме. Соответственно, миграция и насыщение им морских вод могли осуществляться свободно. Катализатором процесса является появление свободного кислорода; ингибитором – его высокая концентрация.

Тонкослойчатое строение джеспилитов указывает на колебания окислительно-восстановительных условий среды осадконакопления. По одной из версий, джеспилиты – результат периодического биохимического осаждения железа. Образования прослоев железа связано с жизнедеятельностью синезеленых водорослей, а периодичность их осаждения с циклами развития этих организмов. На определенной стадии цикла развития палеоэкосистемы синезеленых водорослей их биомасса значительной возрастала и, соответственно, возрастал поток кислорода. В результате закисное железо переводилось в труднорастворимое окисное и выпадало в осадок. Затем биомасса и поток кислорода уменьшались, содержания последнего становилось недостаточно, железо не осаждалось, а формировался «обычный» кремнеземистый осадок (возможно первоначально бывший кварцевым песком. Т.е. формирование джеспилитов происходило при чередовании окислительных и восстановительных обстановок, что возможно в пограничных зонах: слабоокислительная атмосфера и слабовосстановительная гидросфера; слабоокислительные верхние слои гидросферы и слабовосстановительные нижние слои гидросферы. По расчетам 10 грамм бактерий могут произвести 1000 грамм магнетита (по А.Ю. Журавлеву – До и после динозавров).

Именно в это время возникли все крупнейшие месторождения железа (в том числе Курская Магнитная аномалия). В дальнейшем руды этого типа на Земле уже не образовывались, за исключением очень краткого эпизода в конце протерозоя. В период 2,2-1,9 млрд. лет назад сформировалось 70% мировых запасов железных руд!

Микроорганизмы создали железные руды, Карл!

Железорудный карьер, КМА

Итак, кислород, который полностью расходовался на процесс окисления пород, стал теперь насыщать атмосферу. Соответственно, пиритовые конгломераты, джеспилиты и К^о исчезают, а появляются терригенные, имеющие наземное происхождение, красноцветы – процесс окисления железа начался на суше. А «биосфера вывернулась на изнанку» (по Г.А. Заварзину) за счет появления кислородной атмосферы – вместо кислородных оазисов или «карманов» появились анаэробные «карманы» в местах разложения органики.

Возможно, что гигантским анаэробным «карманом» до неопротерозоя была вся тогдашняя гидросфера.

Когда содержание кислорода стало больше 1% от современного (первая точка Пастера), стало энергетически оправданным процесс кислородного дыхания. Обнаруживаются первые аэробные организмы (облигатно-аэробная марганцевоосаждающая бактерия металлогениум).

Около 1,9-2 млрд. лет назад появляются первые эукариоты, т.е. организмы, обладающие ядром. Наиболее древние из обнаруженных эукариотов – углеродистые ленты из формации Негауни (возраст 1,87 млрд. лет назад) в районе озера Верхнее.

Благодаря способности обмениваться генами эукариоты могли более быстро эволюционировать и менее чем за 1 млрд. лет возникли все основные группы водорослей и простейших, появились предки грибов, растений и животных. 1,2 млрд. лет назад многоклеточные красные водоросли создали первые 3Д сообщества. До этого момента сообщества организмов – цианобактериальные маты –  были плоские – 2Д. Но мы отвлеклись.

После первой точки Пастера, вероятно, в атмосфере начинает формироваться озоновый слой, защищающий от ультрафиолета.

Кроме того, произошел «минеральный взрыв» - резко возросло минеральное разнообразие. На это первым обратил внимание Р. Хейзен, который считает, что две трети из 4500 известных видов минералов никак не могли образоваться до Великого кислородного события.  По меньшей мере 3000 новых видов минералов, ранее не существовавших в Солнечной системе.

Вот минеральный взрыв – на графике.

Без этого события многие минералы так и не появились бы. Например, малахит.

А причина в том, что великое кислородное событие повлияло на распространение многих химических элементов – элементов, чувствительных к окислительно-восстановительным процессам.

Главный принцип минеральной эволюции по Р. Хейзену: минералы изменяют жизнь, жизнь изменяет минералы.

Об этих события можно почитать в книгах:

Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней.

Журавлев А.И. До и после динозавров.

Хейзен Р. История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4500000000 лет.