Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

Особое место в современной геохимии занимают изотопные методы исследования, позволяющие установить следы жизнедеятельности организмов в самых древних метаморфизованных породах криптозоя. В процессе жизнедеятельности при обмене с внешней средой изменяется изотопный состав биофильных элементов, в частности таких, как сера и углерод, что было предсказано еще В. И. Вернадским. В настоящее время фракционирование изотопов в ходе биогеохимичееких процессов экспериментально установлено.

Измерения изотопного состава серы из раннедокембрийских формаций СССР, Северной Америки и Южной Африки показали фракционирование ее изотопов, выражающееся в колебаниях отношения 32S/34S. Общая закономерность фракционирования изотопов серы в биосфере заключается в том, что содержание более легкого изотопа 32S повышено в сульфидных ее формах (связанных с формированием в водоемах сероводорода H2S) по сравнению с сульфатными ее формами (CaSO4, BaSO4 и др.), в которых относительно повышена пропорция тяжелого изотопа серы 34S. Изотопные смещения серы между сульфидами и сульфатами свидетельствуют о бактериальной сульфатредукции в древних водоемах.

Особенно показательны в отношении выявления древних следов жизни данные по изотопному составу углерода. В процессе круговорота этого элемента в биосфере планеты, связанного с живым веществом, происходит смещение изотопных отношений 12С/13С. Основные пути геохимического круговорота углерода в биосфере представлены на рис. 6. Начало этого круговорота знаменуется выделением СО2 из мантийных глубин в результате вулканических процессов. К этому добавляется СО2 при термическом разложении известняков в условиях метаморфизма. Затем СО2 распределяется между атмосферой и гидросферой и мигрирует в примерной пропорции 4:1 двумя путями.

Первый путь связан с образованием сложной карбонатной системы между атмосферой и гидросферой:

CO2 → [CO2] + [H2CO3] + [HCO3]1— + [CO3]2—.

В конце концов в морской воде СО2 соединяется с Са и Mg, образуя известняки преимущественно в форме скелетов морских организмов.

Другой путь миграции СО2 в биосфере заключается в поглощении его зелеными растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и выделением свободного кислорода. В общем это можно выразить так:

nCO2 + nH2O → n(CH2O) + nO2.

Процесс фотосинтеза приводит к фиксации углерода в органическом веществе. Одна часть его окисляется c образованием СО2 в условиях поверхности Земли, другая захороняется в условиях восстановительной среды.

На этих главных путях геохимической миграции углерода происходит фракционирование его изотопов. Например, в морских известняках повышается содержание тяжелого изотопа углерода 13С, что типично также для кальцитовых и арагонитовых раковин морских организмов. Таким образом, изотопное отношение 12С/13С в морских известняках устанавливается от 88,2 до 89. Во время же процесса фотосинтеза относительное содержание изотопа 13С понижается, поскольку скорость захвата легкой молекулы 12СО2 выше, чем молекулы 13СО2. Поэтому для растений и их остатков наблюдается отношение 12С/13С в пределах 90—92. Изотопный состав углерода растений наследуется углеродом животных, которые питаются растениями. Интересно отметить, что изотопный состав графита из древних докембрийских метаморфических горных пород соответствует углероду растений — продуктов фотосинтеза.

Самые древние горные породы, преимущественно метаморфические, залегают в докембрийских щитах почти на всех материках земного шара. Возраст их древнейших участков определяется разными радиологическими методами в 3,8—3,5 млрд лет. В той или иной степени они ассоциированы со следами древней жизни. Древнейшие породы обнаружены и изучены в Северной Америке, Западной Гренландии, Северной Норвегии, Южной Африке и Западной Австралии. По данным свинцово-изотопного метода, наиболее древними минералами являются детритовые цирконы возрастом 4,2—4,1 млрд лет. Но они находятся во вторичном залегании в архейских песчаниках Нарейр в Западной Австралии, и их коренной источник неизвестен.

Наиболее древними, морфологически хорошо выраженными следами жизни в докембрии считаются строматолиты. Они представляют собой биогермы, возникшие на дне мелководных водоемов и имеющие выпуклую или неровную поверхность и сложную слоистость. Слоистые образования создаются чаще всего кальций-карбонатом в результате деятельности синезеленых водорослей и бактерий. Изучению строматолитов большое внимание уделил советский палеонтолог А. Г. Вологдин (1896—1971), который описал множество этих форм из докембрийских разрезов СССР. В строматолитовых структурах были обнаружены микрофоссилии. Поэтому в настоящее время нет никаких сомнений в биогенном происхождении строматолитов. Древнейшие строматолиты найдены в серии Варравуна в разрезе докембрия блока Пилбара в Западной Австралии. Возраст их 3,5 млрд лет.

В Южной Африке, в Центральном Трансваале, обнажаются древние породы свазилендской серии, в которую входят системы Фигового Дерева и Онвервахт. В черных сланцах системы Фигового Дерева обнаружены при микроскопическом просмотре бактериоподобные образования размером 0,56×0,24 мкм, названные Е. С. Баргхорном Eobacterium isolatuin. Сфероидальные темноокрашенные органические тела, сравнимые по общей морфологии с некоторыми современными одноклеточными водорослями, найдены в тех же местах в формации черных сланцев.

В системе Онвервахт выявлены сложные органические соединения жирных кислот и изопреновых углеводородов. Из пород этой системы неоднократно описывались морфологически водорослеподобные формы. Они представляют собой сферические тельца с преобладающим диаметром 6—20 мкм. Самые крупные из обнаруженных имеют диаметр 200 мкм. Они похожи на аналогичные образования из вышележащей серии Фигового Дерева в том же районе и из свиты Ганфлинт в докембрии Северной Америки. Биологическое происхождение указанных форм несомненно, поскольку они ассоциированы с изопреновыми углеводородами которые являются продуктами фотосинтеза и широко распространены в отложениях более молодых геологических эпох. Данные по изотопному составу углерода показали хорошее совпадение с данными для нефтей, углей и рассеянной органики. Это вещество, по-видимому, связано с деятельностью примитивных бактериоподобных автотрофов. Возраст свиты Онвервахт оценивается в 3,44 млрд лет.

Измерения изотопного состава серы в разных минеральных ассоциациях из раннедокембрийских формаций СССР, Южной Африки и Северной Америки показали фракционирование изотопов, вызванное деятельностью сульфатредуцирующих бактерий. В слабометаморфизованных железистых формациях провинции Онтарио в Канаде изотопный разброс между сульфатными и сульфидными минеральными формами серы составляет от +20 до ~2%о. Это свидетельствует об энергичной сульфатредуцирующей деятельности бактерий в водоемах, где накапливалось железо, 2,7 млрд лет назад. Однако исследование более древних пород из разреза Исуа в Гренландии не выявило существенного разброса изотопов серы в сульфидах и сульфатах, что может говорить об отсутствии бактериальной редукции сульфатов. Первые изотопные свидетельства редукции сульфатов были установлены в верхнем архее Алданского щита в Сибири (около 3 млрд лет назад) и в полосчатых железистых формациях Вумен-Ривер в Канаде (примерно 2,8 млрд лет назад). По мнению западногерманского геохимика М. Шидловского, сульфатный ион S042-, потреблявшийся первыми сульфатредуцирующими организмами, возник, скорее всего, в результате окисления восстановленных соединений серы фотосинтезирующими серобактериями. Поэтому можно себе представить, что фотосинтез — процесс, высвобождающий свободный кислород в биосферу планеты,— хронологически предшествовал появлению бактериальной редукции серы в древних докембрийских водоемах.

Изучение изотопного состава углерода как указателя древности фотосинтеза и, следовательно, древности биосферы имеет особо важное значение. М. Шидловским и его сотрудниками были выполнены многочисленные измерения изотопного состава углерода образцов карбонатных и других горных пород из древнего супракрустального комплекса Исуа. Возраст горных пород из этого комплекса, установленный радиологическими методами, 3,8 млрд лет.

Полученные данные показали, что Скарб и Сорг присутствовали и мигрировали в древней биосфере Земля в общем в современной пропорции. Карбонатный углерод и углерод органического происхождения первоначально обладали изотопными соотношениями, близкими к современным для соответствующих осадочных горных пород. Таким образом, известный биогеохимический цикл углерода, связанный с фотосинтезом в биосфере, существенно стабилизировался более 3,8 млрд лет назад.