Я уже несколько раз упоминал, что геологическая летопись не является непрерывной, но это стоит лишний раз подчеркнуть. Например, напоминающие торт слои, которые можно увидеть на стенах Большого каньона, охватывают в общей сложности более полутора миллиардов лет, однако есть сотни миллионов «недостающих» лет — их не представляют вообще никакие породы. Тот факт, что самым старым породам, свидетельствующим о гуронском оледенении, 2,45 миллиарда лет, а самым молодым — 2,22 миллиарда, не означает, что оледенения не было чуть раньше или чуть позже этого промежутка времени. Точное время кислородной катастрофы тоже неясно. Почти все породы старше 2,45 миллиарда лет демонстрируют, что кислорода в атмосфере нет, в то время как породы моложе 2,32 миллиарда лет указывают, что атмосфера насыщена кислородом; однако пропуски в геологической летописи снова не дают возможности установить точное время этой трансформации. И все равно даже по геологическим совпадениям перекрытие по времени между кислородной катастрофой и гуронским оледенением поражает: уровень кислорода повысился, и Земля замерзла. Возможно, все было наоборот: датировка недостаточно точна, чтобы сказать это. Однако разумно предположить, что сначала появился кислород: он снизил концентрацию метана, что ослабило парниковый эффект и подтолкнуло Землю к ледниковому периоду.
Имеются также косвенные доказательства, связывающие парниковые газы, кислородную катастрофу, гуронское оледенение и образование континентов. Одна из причин того, что границу между археем и протерозоем установили на моменте в 2,5 миллиарда лет назад, заключается в том, что геологи обнаружили незначительные изменения в природе пород земной коры, сформировавшихся до и после этого момента. Эти изменения были не мгновенными даже в геологическом смысле, но важнейшее обстоятельство состоит в том, что судя по минеральному составу архейских осадочных пород, многие из них образовались в результате выветривания базальта, в то время как осадочные породы протерозоя, скорее всего, были продуктом выветривания гранитоподобных пород. Это не означает, что гранитная кора не существовала до 2,5 миллиарда лет назад: мы уже встречались с доказательствами того, что субдукция или подобные ей процессы формировали гранитные породы гораздо раньше. Однако такие данные осадочных пород показывают, что континентальная кора, похожая на сегодняшнюю, стала доминирующим источником отложений только в протерозое. Это может отражать важнейший постепенный сдвиг в способе образования коры — от преимущественно базальтового вулканизма (например, в Исландии и на Гавайях) к процессам, которые привели к стабилизации континентов гранитного состава посредством вулканизма в зонах субдукции. Это отразилось на содержании парниковых газов в атмосфере в ту эпоху.
Почему так должно быть? Базальт — это характерная магма, сформировавшаяся при плавлении мантии; он несет с собой растворенный метан и углекислый газ из недр Земли, которые выбрасываются в атмосферу. С другой стороны, процессы, которые образуют континентальную кору гранитного состава, более сложны, как уже упоминалось ранее; в целом они переносят на поверхность гораздо меньше этих газов. Поэтому понижение базальтового вулканизма (даже если оно сопровождается повышением вулканизма в зоне субдукции) приводит к уменьшению уровня парниковых газов в атмосфере. Это также может частично объяснить повышение содержания кислорода, поскольку из-за меньшего количества метана на реакцию с ним уйдет меньшее количество кислорода, произведенного посредством фотосинтеза. Итоговым результатом могут оказаться пониженные температуры — возможно, достаточно низкие, чтобы привести к гуронскому оледенению.
Создание континентов, оледенение и биологическая эволюция могут связываться и другими способами. По мере того как материки увеличивались в размере и количестве и начинали выдерживать более резкие формы рельефа, усиливались и эрозия, и химическое выветривание поверхностных пород. На длительных промежутках времени химическое выветривание — основной процесс удаления углекислого газа из атмосферы: он растворяется в дождевой воде с образованием угольной кислоты[47], которая разрушает и растворяет горные породы; затем реки и ручьи переносят его вместе с растворенными веществами в океан, и он более или менее постоянно сохраняется на дне океана в качестве компонента осадочных пород (рисунок 25). Таким образом, формирование континентов, особенно гор в районах субдукции, возможно, понижало количество углекислого газа в атмосфере и инициировало похолодание. Кроме того, материалы усилившегося выветривания содержали большое количество важных веществ — например, фосфора и железа. Попав в океан, эти вещества могли стимулировать распространение жизни и сыграть определенную роль в эволюции фотосинтезирующих цианобактерий и последующем насыщении атмосферы кислородом.
Этот сценарий довольно умозрителен: мы не знаем, так ли всё обстояло на самом деле. Однако у нас есть хронология событий, и мы знаем с точностью, как действуют вышеописанные процессы — разрушение метана посредством окисления, извлечение углекислого газа из атмосферы посредством выветривания, глобальные изменения температуры, вызванные изменением уровня атмосферных парниковых газов и удобрение океанов веществами, попадающими туда после усиленного выветривания, знаем и их последствия. На данный момент нет никаких фактов, которые бы противоречили описанным взаимосвязям между этими процессами. Однако вполне вероятно, что какие-то детали изменятся, геологи найдут новые факты, и ситуация с разгадкой протерозойских пород станет более ясной.
Первые несколько сотен миллионов лет протерозоя были довольно насыщенными, но с конца гуронского оледенения и до отметки 800 миллионов лет назад ситуация на поверхности планеты была относительно стабильной. Это тот самый период, который некоторые ученые называют скучным миллиардом (на самом деле промежуток больше похож на полтора миллиарда, но это звучит не так красиво). Как правило, эти ученые — геохимики, занимающиеся океанами и атмосферой: в течение этого промежутка времени содержание кислорода в атмосфере оставалось низким, мало что менялось и в химии океана. Однако этот период включает формирование Колумбии, первого четко установленного суперконтинента, которое началось примерно 2,1 миллиарда лет назад, а также образование первых колоссальных горных цепей, подобных Андам. Ему также соответствуют первые окаменелости эукариотов, которым 1,8 миллиарда лет.
Трудно переоценить важность того эволюционного шага, который привел к появлению эукариотов. Биологи считают это одним из важнейших шагов в эволюции жизни. Без него некому было бы читать эту книгу. Данные ДНК показывают, что эукариоты несут гены обоих типов организмов, существовавших до них — и бактерий, и архей. Каким-то образом одна разновидность этих предков-прокариотов проглотила или захватила другую, но вместо того, чтобы уничтожать друг друга, они построили своеобразные симбиотические отношения. По-видимому, так возникли внутренние структуры эукариотов, например, митохондрии (заключенные в мембраны крохотные органеллы, производящие энергию). Митохондрии (которых в одной клетке могут быть тысячи) позволили эукариотам обрести размеры намного большие, чем у предков-прокариотов, поскольку теперь реакции, вырабатывающие энергию, шли внутри клетки с помощью множества митохондрий, а не через внешнюю клеточную стенку (когда клетка увеличивается в размере, ее объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, а поэтому клетка-прокариот без митохондрий быстро достигнет точки, где ей уже не будет хватать энергии для функционирования). Наличие различных внутренних структур (в частности, ядер и митохондрий) также позволило эукариотам образовывать многоклеточные организмы и развивать в разных клетках специализированные функции. Это подготовило почву для эволюции сложных растений и животных, хотя до нее оставался еще миллиард лет.
Примерно в то же время, которым датируют первые останки эукариотов, 1,8 миллиарда лет назад, Колумбия достигла своего максимального размера. Как уже говорилось, спустя несколько сотен миллионов лет суперконтинент распался, и образовавшиеся мелкие материки дрейфовали по планете, пока не стали собираться во второй великий протерозойский суперконтинент — Родинию. Этот процесс начался примерно 1,3 миллиарда лет назад. Затем — ближе к концу эона — произошел всплеск геологической активности. Очень быстро (с геологической точки зрения), в течение 300 миллионов лет, Родиния стала распадаться, а на планете началась серия оледенений, два из которых были очень серьезными (Земля-снежок). В то же время уровень кислорода в атмосфере, который в период скучного миллиарда колебался, но оставался низким, подскочил почти до современной величины, и на морском дне распространились новые сложные животные. Мы снова можем задать вопрос: есть ли связь между этими вроде бы не имеющими друг к другу отношения событиями? Ответ большинства геологов, тщательно изучавших эти факты — осторожное «вероятно».
Окончательный распад Родинии произошел между 850 и 800 миллионами лет назад, и почти одновременно на планете резко похолодало. Геологические свидетельства оледенения настолько масштабны, что интервал между 850 и 635 миллионами лет назад называется криогений (это не официальный период геологической шкалы, но термин широко используется учеными). Считается, что в этот промежуток времени было как минимум два глобальных ледниковых периода, когда лед простирался до тропиков, и, возможно, замерзали даже значительные части океана. Чтобы описать эти события, предложен термин Земля-снежок (или Земля — снежный ком).
Читать геологическую летопись возрастом в 800 миллионов лет гораздо проще, чем извлекать информацию из сильно метаморфизованных архейских или ранних протерозойских пород, и в результате о Земле-снежке мы знаем довольно много. Существуют косвенные, но довольно правдоподобные свидетельства, что после распада Родинии выветривание новых материков забрало достаточно много углекислого газа из атмосферы: парниковый э