Под действием жестких излучений Солнца, способных ускорять образование сложных молекул (фотокатализ), в океане, по-видимому еще в катархее, образовался ряд сложных органических веществ, до аминокислот включительно, - предполагать их образование необходимо, так как в архейских осадочных породах уже обнаруживаются следы жизни (при отсутствии озонового экрана появившейся, вероятно, именно в океане, где первичные организмы были защищены от жестких излучений Солнца некоторым слоем воды - для этого вполне достаточно 10-метрового слоя).
Лабораторными опытами С. Миллера в 1953 г. показано, что при воздействии электрических разрядов на смесь водяного пара, метана, аммиака и водорода, близкую по составу к газам некоторых вулканов, в ней образуются сложные органические вещества, в том числе аланин, глицин и другие аминокислоты. Экспериментально доказано также, что в указанной смеси образование сложной органики, до аминокислот включительно, может происходить и под действием ультрафиолетовой радиации. В вулканических газах такой синтез может идти за счет высоких температур, при которых взаимодействие метана с аммиаком дает синильную кислоту HCN, метана с водой - альдегиды RCOH, и в получающейся смеси аминокислоты синтезируются по так называемой схеме Штрекера; отметим, что в горячих газах курильского вулкана Алаид обнаружено большое количество синильной кислоты, а в гидротермальных растворах Камчатки и Курильских островов - производные синильной кислоты и различные аминокислоты. Укажем, наконец, что сложные органические вещества, включая аминокислоты, обнаружены в ряде каменных метеоритов, особенно в так называемых углистых; см. книгу С. М. Майской и Т. В. Дроздовой [28].
Эволюцию жизни на Земле мы будем обсуждать ниже, здесь же отметим, во-первых, что наиболее древние достоверные остатки жизнедеятельности организмов (микроорганизмов Eobacterium isolatum) найдены в кремнистых сланцах серии Фигового дерева системы Свазиленд (Барбертон) в Трансваале, возраст которых 3.1-3.4 млрд. лет, и, во-вторых, что одними из первых организмов были микроскопические одноклеточные водоросли, начиная с самых примитивных - синезеленых, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Такая деятельность водорослей, а затем и сухопутных растений привела в конце концов к образованию на Земле кислородной атмосферы - этого геохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы.
Первые количества кислорода, вырабатывавшиеся водорослями при фотосинтезе уже с начала архея, затрачивались на окисление атмосферных газов (а затем и пород коры). При этом аммиак NH3 окислялся до молекулярного азота N2 (а часть аммиака поглощали организмы), и так, по-видимому, образовался почти весь азот современной атмосферы. Метан СН4 и окись углерода СО окислялись до СO2, и углекислота преимущественно уходила в морскую воду, превращая ее из исходной хлоридной в хлоридно-карбонатную (и создавая в ней вместе с ионами Са2+ карбонат-бикарбонатовый буфер, способствовавший превращению «лишних» бикарбонатов в карбонатные осадки). Сера S и сероводород H2S окислялись до SO2 и SO3; в океане начал появляться сульфат SO2-4, так что морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной (как уже упоминалось, изотопное отношение S32/S34 начало уменьшаться со среднего протерозоя, а первые сульфатные осадки появились в верхнем рифее).
В горных породах нижнего протерозоя обнаружены многочисленные свидетельства происходившего в то время перехода от восстановительных к окислительным условиям в атмосфере и океане. Одним из наиболее важных свидетельств является изменение поведения железа в морской воде: окисление закиси железа FeO до окиси Fe2O3 резко понизило подвижность железа и привело к массовому выпадению из водной взвеси гидратов окиси железа Fe(OH)3 и FeO(OH) в комплексе с SiO2·nH2O и органикой в осадки, преобразовавшиеся затем в многочисленные железистые кварциты нижнего протерозоя - джеспилиты Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии в СССР, Верхнего озера в Северной Америке и ряда крупных месторождений в Индии. При образовании джеспилитов железо могло заимствоваться, например, из сидеритов FeCO3, окислявшихся по схеме
2FeCO3 + ЗН2О +О → 2Fe(OH)3 + 2СO2,
причем в воду поступал углекислый газ, который мог затрачиваться в реакциях серпентинизации оливинов и каолинизации анортитов на образование новых порций карбонатов; кремнезем же в джеспилитах мог заимствоваться из продуктов серпентинизации пироксенов (для энстатита см. с. 57).
Типичное для нижнего протерозоя чередование слоев железистых кварцитов со сланцами слюдяно-амфиболового состава указывает, возможно, на частую смену окислительных и восстановительных условий. Следует также упомянуть мощные пласты гематита, Fe2O3, и сидерита в нижнепротерозойских карбонатных и терригенно-карбонатных отложениях Саткинской и Бакальской групп Южного Урала, а также некоторых районов Карелии (СССР), Канады и США.
По данным Р. Е. Фолинсби (1971 г.), проанализировавшего условия образования докембрийских осадочных и россыпных рудных месторождений, заметные количества свободного кислорода появились около 2.2 млрд. лет тому назад.
Над упоминавшимися выше золото-ураноносными конгломератами начала нижнего протерозоя располагаются карбонатные отложения - доломиты и биогенные известняки возрастом около 2.4-2.5 млрд. лет (оцененным по свинцовому методу), а над ними впервые в разрезе древних осадков появляются красноцветы - породы, образовавшиеся из древних почв, содержавших окисное железо, которые могли формироваться лишь при появлении в атмосфере свободного кислорода. Выше первого доломитового горизонта с биогенными известняками середины нижнего протерозоя золото-ураноносные конгломераты больше не встречаются, так как при появлении в атмосфере кислорода обломочные сульфиды и уранинит окисляются и условия для одновременного накопления в россыпях урана и золота исчезают. Примером может служить урановая минерализация в гуронских породах Канады, где золото-ураноносные конгломераты с окатанными зернами пирита и уранинита находятся в сероцветных породах серии Эллиот-Лэйк; выше, в красноцветных кварцитах серии Кобальт, вместо пирита присутствует гематит, а урановая минерализация исчезает.
В породах среднего протерозоя и тем более рифея остатки жизнедеятельности водорослей - биогенные известняки - встречаются все чаще и чаще; очевидно, продуцирование свободного кислорода водорослями в эти эры нарастало. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [27], содержание свободного кислорода в атмосфере в одну тысячную долю современного уровня (точка Юри) было достигнуто в среднем рифее, около 1.2 млрд. лет тому назад. К этому же выводу пришел и П. Клауд (1965 г.) в результате обобщения палеонтологических, геологических и геохимических данных. Согласно Е. П. Акулыниной, А. В. Ивановской и Ю. П. Казанскому [29], с этого времени начали образовываться мощные кислые выщелоченные коры выветривания в ряде областей на поверхности континентов, окрашенные гидроокислами железа в бурные и красные цвета (причем при захоронении окислы не восстанавливались из-за отсутствия на суше тех времен органического материала). Отметим, что отношения азота к кислороду (N2/O2) в газовых включениях в среднерифейских кремнистых отложениях Восточной Сибири уже близки к их значениям в современных атмосфере и гидросфере (Ю. П. Казинский, В. Н. Катаева, Н. А. Щугурова [30]).
Наличие свободного кислорода создало возможность для следующего крупного шага в эволюции жизни - появления организмов, потребляющих кислород, животных. И действительно, наиболее древние остатки животных найдены в породах среднего протерозоя (трубочки червей Udokania problematica в слоях Удоканской серии Забайкалья). Несомненное становление многоклеточных морских животных датируется началом верхнего рифея, около 1 млрд. лет тому назад. В венде обнаружено уже не менее 20 родов животных, преимущественно кишечнополостных («век медуз») и членистоногих - это так называемая эдиакарская бесскелетная фауна (названная по местечку Эдиакара в Австралии, где в породах вендского возраста найдено много отпечатков этих животных).
С биологической точки зрения критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является так называемая точка Пастера, около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере, при которой организмы переходят от использования энергии процессов ферментативного (анаэробного) брожения к энергетически более эффективному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце венда, около 600 млн. лет тому назад, и это привело в начале фанерозоя к настоящему биологическому взрыву - массовому распространению практически всех типов животных (кроме хордовых).
Растения, осуществляющие фотосинтез первичной биологической продукции и потому являющиеся первоосновой всей жизни, вскоре начали проникать на сушу, вначале в наиболее примитивных формах (псилофиты) и очень медленно - одним из главных препятствий для проникновения жизни на сушу являлось отсутствие в атмосфере озонового экрана, который защищал бы живые организмы от жестких излучений Солнца. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что появлению озонового экрана около 400 млн. лет тому назад отвечало содержание кислорода в атмосфере порядка 10% современного уровня, после чего современный уровень был достигнут очень быстро - всего за несколько десятков миллионов лет - вследствие бурного фотосинтеза в гигантских лесах на континентах того времени.
Заканчивая на этом изложение истории кислорода в атмосфере и гидросфере, отметим, что в настоящее время годовая продукция кислорода, выделяемого всеми растениями в море и на суше, имеет порядок 100-150 млрд. т (и распределяется между морем и сушей приблизительно поровну, составляя в море около 10% продукций массы водорослей). При таком темпе весь кислород атмосферы - порядка 103 триллионов т - был бы создан всего за десяток тысячелетий, однако практически весь продуцируемый сейчас кислород затрачивается на дыхание животных и на окисление органических остатков, вулканических газов и разрушающихся горных пород.