Легко попасть в ловушку восприятия земной геологии как данности. Вот мы вдыхаем и выдыхаем азот, кислород и некоторое количество аргона, углекислого газа и других газов, заменяя часть O2 на CO2 в рамках нашего самого важного биологического процесса – дыхания. Кислород хорошо знаком нам в газообразном состоянии; тем не менее почти все запасы кислорода на Земле находятся в составе горных пород, где бы и оказался весь атмосферный кислород, если бы он постоянно не высвобождался из CO2 и H2O занятыми фотосинтезом растениями[42].
Половина массы силикатной оболочки Земли – всего, что окружает металлическое ядро, – приходится на кислород. Он содержится в минералах вроде оливина (Mg, Fe)2SiO4, который состоит из двух атомов магния или железа, а также одного атома кремния и четырех атомов кислорода. (В космохимии горные породы относятся к оксидам.) Рассуждая таким образом, мы должны немного углубиться в историю кислорода, но не переживайте, если не сможете чего-то понять – на самом деле ее не понимает никто.
Каждый из этих атомов был создан в ходе термоядерного синтеза в ядрах древних звезд – об этом мы более подробно поговорим через несколько глав. Тип атома определяется числом протонов в его ядре; например, атом кислорода содержит восемь протонов, вокруг которых обращаются восемь электронов (чтобы атом оставался электрически нейтральным), а также некоторое число нейтронов. В стабильном атоме кислорода может быть восемь, девять или десять нейтронов – так получаются изотопы 16O (с огромным отрывом самый распространенный), 17O и 18O, обозначаемые в соответствии с их атомной массой (суммарным количеством нейтронов и протонов). Химически все они ведут себя практически одинаково, хотя 17O и 18O несколько тяжелее и чуть более инертны в ходе реакций.
Относительное содержание изотопов незаметно, если не использовать масс-спектрометр – прибор, который определяет долю отдельных атомов в минерале[43]. Но, поскольку они имеют разную массу, изотопы кислорода отбираются и сортируются. Испарить молекулу H2O с изотопом 18О немного труднее, чем такую же молекулу с изотопом 16О. К примеру, в ледниковый период, когда испаряющаяся из океанов вода переносится на сушу и оседает в виде снега на все расширяющийся ледяной щит, получившиеся в результате ледники накапливают более легкий кислород, тогда как океаны оказываются обогащенными тяжелым кислородом. Когда в разгар ледникового периода мелкозернистые осадки и карбонаты оседают на дно такого моря, возникающие в итоге породы, в свою очередь, также обогащены тяжелым кислородом. Применив масс-спектрометрию к образцам, полученным при глубоководном бурении, любой дипломник может проследить древние климатические процессы, как на элементарном графике.
Сегодня полярные льды тают, поэтому в летописи осадочных пород нашему времени будет соответствовать более легкий кислород. Более легкая вода, попавшая когда-то в ледяную ловушку, наконец возвращается обратно в океан. Свидетельства того, что происходит на суше, в океане и в воздухе, сохранятся в будущих горных породах. Это одна из причин, по которой нам важно получить образцы ранних осадочных пород с Марса: не только для того, чтобы найти там окаменелости микроорганизмов (если они вообще есть), но и потому, что, если аккуратно отбирать пробы, эти породы могут содержать комплексную информацию об океанах и оледенении Марса в далеком прошлом. Если даже окаменелости живых организмов никогда не будут там обнаружены, характерные признаки жизни можно будет разглядеть в изотопном составе органических компонентов горных пород – аналоге той летописи, которую мы расшифровываем, чтобы узнать о жизни на Земле 4 млрд лет назад.
Земля испещрена метеоритами. Почти все они являются фрагментами околоземных объектов, которые, в свою очередь, по большей части представляют собой осколки астероидов Главного пояса и комет. Но удивительно заметная их доля попала к нам с поверхности Марса. Доказывается это так: метеориты группируются по соотношению изотопов кислорода и других элементов, соответствующему различным астероидам, сформированным в той или другой области вокруг Солнца[44]. Одна из этих групп любопытна, потому что состоит в основном из базальтовых пород. Кислород можно обнаружить в любой породе, поэтому эта группа метеоритов должна была прибыть с планетоида достаточно крупного, чтобы на нем были вулканы. Марс богат огромными вулканами и находится относительно недалеко от Земли; то же самое относится и к Луне.
42
Основное уравнение фотосинтеза, использующего солнечный свет для производства глюкозы, выглядит так: 6CO2 + 6H2O ⇌ C6H12O6 + 6O2. Эрозия горных пород также связана с углекислым газом, который, растворяясь в воде (например, в океане), создает слабый раствор углекислоты H2CO3, разлагающей минералы до глин и карбонатов. Если бы не фотосинтез, весь свободный кислород уходил бы на создание на морском дне грязи из минералов, смываемых в океан течением рек. Так что присутствие кислорода в атмосфере планеты является указанием на наличие там фотосинтеза, хотя существуют и абиотические пути синтеза свободного кислорода.
43
Масс-спектрометр – одно из самых замечательных изобретений в истории. Основная идея состоит в том, что вы ионизируете (изымаете один электрон) атомы, придавая им единичный заряд. Затем пучок этих ионов проходит через магнитное поле и расщепляется. Чем массивнее атом, тем меньше он отклоняется при одном и том же заряде. Так что по сути вы просто взвешиваете атомы и обнаруживаете, что в некоторых из них на один или два нейтрона больше, чем в других. У большинства элементов есть один или два стабильных изотопа, то есть изотопа, которые не подвергаются радиоактивному распаду, превращаясь в другие элементы. Очень интересен элемент ксенон, у которого стабильных изотопов восемь (132Xe, 129Xe, 131Xe, 134Xe, 130Xe, 128Xe, 124Xe, 126Xe). Поскольку ксенон является благородным газом и не вступает в реакции с другими веществами, соотношение этих изотопов остается постоянным на протяжении геологической эволюции планеты и ее атмосферы, за исключением тех случаев, когда присутствует разделение их по массе. Каждый элемент и его изотопы рассказывают свои истории: ксенон говорит об атмосферах, кислород – об оксидах (горных породах и воде), гафний дает информацию о формировании ядра, а свинец – о кристаллизации.
44
О том, как возникло разнообразие в изотопном составе кислорода, идут бурные споры. Кислород Солнца на 7 % легче (более обогащен 16О) по сравнению с любым метеоритом или с горными породами на Земле, Луне и Марсе. Выходит, что некие процессы в туманности отводили более легкий кислород в значительном количестве. Возможно, это напоминало то, как при замерзании и таянии ледников легкий кислород может вытесняться и накапливаться на Земле. Эти процессы вытеснения шли в разных местах по-разному, создав различные резервуары кислорода на расстояниях орбиты Марса и орбиты Земли. По крайней мере, такова гипотеза.