История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

В противоположность им породы моложе 2,5 млрд лет содержат много однозначных признаков наличия кислорода. В период между 2,5 и 1,8 млрд лет появилось поразительно много массивных залежей оксидов железа, именуемых полосчатыми железистыми формациями. Эти характерные плотные скопления чередующихся слоев черного и красного цвета содержат около 90 % мировых запасов железной руды. В это же время внезапно появились окислы марганца, также в виде многослойных залежей, составляющих большинство основных мировых ресурсов марганцевых руд. В этот же период среди горных пород появились сотни новых минералов – окисленные руды меди, никеля, урана и других пород, – и все это впервые после Великого кислородного события. Однако несмотря на все эти многочисленные минералогические данные, многие специалисты сомневаются, что Великое кислородное событие было таким уж великим на самом деле. Может быть, в атмосфере просто медленно и неуклонно накапливался кислород. Может, свидетельства пятнистых, выветренных камней просто вводят нас в заблуждение.

Явная улика против Великого кислородного события пришла из неожиданного источника – недавно полученные данные по изотопам такого простейшего элемента, как сера. Девяностые годы прошлого века ознаменовались ростом разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометров, рабочих лошадок и главных инструментов анализа изотопов. Новое поколение масс-спектрометров позволило ученым анализировать все более и более мелкие образцы, даже микроскопические зерна минералов или отдельные живые клетки с все более высокой точностью. Одним из самых увлекательных объектов для исследования оказалось такое простое вещество, как сера, поскольку в природе встречается четыре устойчивых изотопа серы: сера-32, сера-33, сера-34 и сера-36. В ядре всех этих изотопов содержится заданное число протонов – 16, а количество нейтронов колеблется от 16 до 20.

Распределение изотопов обычно определяется массой и вполне предсказуемо. Все атомы колеблются, но чем легче изотоп, тем быстрее колебания. Поэтому во всех химических реакциях легкие изотопы вовлекаются активнее, чем тяжелые. Этот селективный процесс носит название «фракционирование изотопов» и происходит всякий раз, когда скопление атомов серы вступает в химическую реакцию, идет ли речь о твердой породе или о живой клетке. Изотоп серы-32 обычно фракционирует больше, чем изотопы массой 34 или 36. Более того, фракционирование обычно соотносимо с массой изотопов: фракционирование серы-36 в серу-32 всегда вдвое превышает фракционирование серы-34 в серу-32. Это физическое явление соответствует непосредственно законам Ньютона: сила, приложенная к массе, придает ей ускорение. Объекты меньшей массы получают большее ускорение, поэтому под воздействием определенной силы сера-32 колеблется быстрее, чем сера-34, которая, в свою очередь, колеблется быстрее, чем сера-36.

Десять лет назад геохимик Джеймс Фаркуар из Университета Калифорнии, работая на живописном побережье Сан-Диего, выявил основательные и неожиданные изменения в распределении изотопов серы в породах, возраст которых превышал 2,4 млрд лет. Более молодые породы и минералы почти всегда демонстрируют ожидаемую зависимость от массы; распределение изотопов серы почти полностью зависит от соотношения их масс. Но Фаркуар с коллегами обнаружил кардинально иное поведение изотопов серы в породах старше 2,4 млрд лет – в некоторых образцах отклонение составляло несколько десятых процента (для этого явления очень большая цифра). Что могло вызвать такое нарушение незыблемых законов Ньютона?

Сообразительные теоретики, поддержанные экспериментальными данными, тут же выдвинули решение, основанное на тонкостях квантовой механики. Под воздействием ультрафиолетового излучения поведение изотопов может отклоняться от идеальной механики Ньютона. Оказывается, изотопы с нечетным массовым числом, например сера-33, могут выборочно подвергаться ультрафиолетовому излучению. Если молекула сернистого ангидрида или сероводорода случайно содержит изотоп серы-33 и сталкивается с ультрафиолетовым лучом (скорее всего, в верхних слоях атмосферы), она может реагировать очень активно. Изотоп серы-33 в таком случае проявляет «независимое от массы фракционирование», что изменяет изотопное отношение.