ДРЕВНИЙ ОКЕАН

Химический состав древней атмосферы

Представления о самой древней атмосфере оценить очень трудно, так как они рассматривают только один или несколько компонентов, не заботясь о взаимной несовместимости получающихся режимов. Из многих возможных (и еще большего числа предполагаемых) компонентов древнейшей атмосферы одних исследователей привлекают СН4. NH, и Н2, а других — С02 и N2.

Ни в одном случае не предполагается возможность существования свободного кислорода. Поэтому раздел о древнейшей атмосфере состоит из трех частей: а) о газах, иных, чем кислород; б) о восстановительной обстановке атмосферы; в) о происхождении кислорода. Изменения состава атмосферы суммированы в  5-6 и служат основой для обсуждения.

Современное распределение компонентов в атмосфере зависит от высоты. Уофси и Мак-Элрой [923] отмети ти, что «профили распределения некоторых важных атмосферных газов (Н:0, N?0. СН4, HNOj и N02) ПО высоте существенно зависят от степени вертикального перемешивания между 20 и 80 км». В дальнейшем изложении этот факт не учитывается. Я буду рассматривать только наиболее общие особенности нижней части атмосферы, которая непосредственно воздействует на поверхность Земли.

А. Параллельно с начальной нейтрализацией кислых летучих в океане шло развитие атмосферы, содержавшей иные, чем кислород, газы. Их. как и газы современной атмосферы. Юнге [429] классифицирует по факторам, контролирующим их геохимические циклы. Азот доминирует в современной атмосфере ( 5-6) и является важным компонентом современных вулканических газов.

Не существует важных реакций образования и разрушения минералов, в которых участвовал бы азот, поэтому, вероятно, он просто накапливался со временем в атмосфере. Сказанное выше можно отнести и к Аг, Ne. Кг и Хе. (Напротив, циклы On, С02, СН4. Н2, N20 и СО считаются в основном биологическими. H2S.S02, NH3, NO NO) и различные углеводороды, за исключением СН4, имеют преимущественно микробиологические источники, однако выводятся из атмосферы 1лавным образом физико-химическим путем. Наконец, циклы Н20, 03, Не и Rn носят, в основном, физико-химический характер.)

Самой важной особенностью атмосферы из NH3—СН4 является существование постоянно действующего источника Н2, который служит топливом для образования новых порций NH3 и СН4 по мере выведения последних различными процессами (рассмотренными ниже) из атмосферы [546]. Для того чтобы происходило обновление NH , и СН4, содержание Н2 в нижней части атмосферы должно составлять 10— 15 °0. В настоящее время водород является незначительной примесью в вулканических эманациях и почти весь реализуется в виде Н20.

Атмосферньтй аммиак подвержен сильной деградации при ультрафиолетовом облучении Полагают, что в отсутствие озонового слоя этот процесс быстро снижал содержание аммиака, так что «в древнейшей атмосфере он должен был быстро исчезнуть» ([3], стр. 1365). Предполагается, что возможным постоянно действующим источником аммиака, обеспечивавшим резерв атмосферного элементного азота, в 20 раз превышавший современный, служил аммиак в кристаллической решетке силикатных минералов изверженных и осадочных пород [801, 269]. Этот аммиак, вероятно, освобождался при выветривании. Однако процессы выветривания происходят очень медленно, так что при отсутствии большого количества свободного водорода NH^ быстро выводится (и выводился в прошлом) из верхней атмосферы, где он находится [278].

Даже если NH^ и не являлся главным компонентом древней атмосферы, небольшие его количества все же были необходимы для древней жизни. Для абиотического синтеза аминокислот требуются концентрации аммиака при 25 СС в морской воде — Ю-4 М, а в атмосфере — Ю-6 [21]. Кроме того, атмосферный аммиак при концентрации Ю-6 мог привести к парниковому эффекту в протерозое, что должно было сохранять температуру поверхности Земли в интервале О — 100 С [707]. Я поддерживаю вывод о том, что в древней атмосфере аммиак присутствовал в небольшом количестве (10~5— 10~6).

Некоторые исследователи предполагают наличие также большого количества СН4 в древней атмосфере. Однако между 4,6 и, скажем. 4,0 млрд. лет назад, когда формировалось ядро и могли развиваться температуры в несколько сотен или несколько тысяч градусов Цельсия, «метан должен был превращаться в воду и С02 почти одновременно с образованием Земли» ([301], стр. 245). Изотопно-углеродные данные Галимова и др. ([311], стр. 1126) по докембрийским (включая архейские) карбонатам также позволили прийти к выводу о «полном доминировании в примитивной атмосфере С02», а не метана. Тем не менее метан является важным продуктом анаэробного метаболизма, и следует ожидать, что он постоянно возобновлялся и присутствовал в древней атмосфере. Как и в случае NH3, существование СН4 в атмосфере зависит от сильно восстановительных условий за счет избытка Н2. В современной атмосфере средняя продолжительность существования метана составляет всего лишь несколько лет, и большая его часть уничтожается при реакции с ОН* ([881]. стр. 69).

Единственным другим соединением углерода, для которого часто предполагается присутствие в сильно восстановигельной атмосфере, является HCN. Это главный продукт лабораторных экспериментов по облучению смеси СО, N0 и Н0. Однако HCN быстро разрушается, и основное его значение заключается в том, что распад HCN приводит к формированию ряда аминокислот и их производных в морской воде [277].

Сильно восстановительная атмосфера, содержащая существенные количества СН4 и NH3, вероятно, довольно быстро разрушилась бы, если бы не было постоянно действовавшего источника Н2, и заменилась атмосферой, в которой доминировали С02, N2 и СО. По мере падения концентрации NH3 водяной пар уже не предохранялся от фотодиссо- пиации. Одновременно с разложением Н20 и освобождением кислорода СН4 должен был превращаться в СО и С02. Вероятно, этот переход от одного состава атмосферы к другому занял менее 10 9 лет [405].

В течение раннего докембрия СО, видимо, был относительно реакционноспособной молекулой, и в присутствии ОН- и Н2 могли осуществляться различные реакции по его выведению из атмосферы. В современной атмосфере среднее время пребывания СО составляет меньше юда [922],

В более позднем докембрии по мере увеличения количества кислорода в атмосфере особенно важной стала реакция окисления FeCOj до Fe203 и С02 [317]. Эта реакция дает 4 моля С02 на каждый моль 02. Следовательно, докембрийская атмосфера (со слабым фотосинтетическим удалением СО2) могла содержать значительно большее

12 - 585 количество С02, чем сейчас. Это является химическим «оправданием» накопления С02, который, если присутствовал в большом количестве, мог привести к высокой температуре поверхности Земли в позднем докембрии (см. гл 4).