2,4 миллиарда лет назад

Великая оксигенация

Более трех с половиной миллиарда лет назад, когда на Земле возникла жизнь в виде цианобактерий, состав атмосферы заметно отличался от сегодняшнего. Атмосфера нашей планеты напоминала по составу атмосферы нынешних Марса или Венеры и состояла из двуокиси углерода с небольшой примесью азота. Основой атмосферы был углекислый газ, неорганическое вещество CO₂, в молекуле которого соединены атом углерода и два атома кислорода. Цианобактерии, используя энергию солнечного света, разрушали эту молекулу, забирая углерод и выпуская в атмосферу все возрастающие количества кислорода. Но в течение первого миллиарда лет состав атмосферы не менялся.

Произведенный бактериями кислород связывался, в силу своей высокой химической активности, с минералами земной коры, в особенности с железом. Но однажды наступил момент, когда все доступные минералы на Земле оказались окислены. И кислород начал уходить в атмосферу. В ней в те времена было еще и достаточно метана, чтобы поддерживать довольно теплый климат, который ранее обеспечивал за счет аналогичных эффектов углекислый газ. Теплом пользовались организмы, способные жить без кислорода. Кислород же, распространяясь в атмосфере, взаимодействовал с метаном, который через сотню тысяч лет полностью исчез. Парниковый эффект постепенно сошел на нет. Падение температуры привело к тому, что вся земная поверхность покрылась толстым слоем льда. Это было так называемое Гуронское оледенение, самый длительный период состояния «снежка» в истории Земли. В течение нескольких сотен миллионов лет оно не позволяло живым организмам развиваться.

Некоторые виды, однако, сумели выжить в этой первой экологической катастрофе, приспособившись к новой окружающей среде и сумев переключить свой метаболизм на кислород. Гуронское оледенение закончилось стеканием огромного количества воды по континентам в море; эти потоки принесли в океан много питательных элементов. Цианобактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, расцвели на новом питании и произвели большое количество кислорода. Его содержание в атмосфере достигло уровня, необходимого для возникновения многоклеточной жизни. Так и случился эволюционный прорыв, ставший прелюдией биологического разнообразия. Вдобавок, воздействие ультрафиолетовых солнечных лучей на кислород вызвало образование озона, который сформировал в верхних слоях атмосферы защитный слой, не пропускающий губительный для живого ультрафиолет. Это был второй фактор, способствовавший биоразнообразию.

2 миллиарда лет назад

Природный реактор

На огромной глубине, под осадочными породами будущего Габона, создались условия для цепной реакции деления.

В результате взрыва сверхновой по соседству с солнечной туманностью на Землю в процессе ее образования попали два радиоактивных изотопа урана: уран-235 и уран-238. Первый распадается в шесть раз быстрее, чем второй – поэтому доля урана-235, составлявшая в ранний период развития Земли 17 %, уменьшилась и за два миллиарда лет до современной эпохи равнялась всего 3,8 %. Именно содержание урана-235 является решающим для работы ядерного реактора на обычной воде. Сотни миллионов лет назад вода и струйки кислорода, выпускаемые первыми цианобактериями, окислили уран и зафиксировали его в осадочных породах. На большой глубине под территорией современного Габона в форме пористых линз, заполненных водой, залегают породы, богатые окисью урана. Именно там чуть менее двух миллиарда лет назад запустился естественный ядерный реактор.

В середине 1950-х годов французские исследователи из СЕА (Комиссариат по ядерной энергии) обнаружили на востоке Габона богатые месторождения урана. В 1972 году инженеры завода СЕА в Пьерлате, во французской провинции Дром, сделали анализ урана, добытого в Габоне на месторождении Окко. Исследование позволило обнаружить небольшой дефицит изотопа урана-235. Физик Фрэнсис Перрен, бывший старший комиссар СЕА, предположил, что наблюдавшаяся аномалия была вызвана прошлой активностью природного ядерного реактора, существование которого предвидел в 1956 году американский физик-ядерщик японского происхождения Пол Казуо Курода.

Быстрые нейтроны, возникающие во время самопроизвольного деления ядра урана-135, замедляются водой, омывающей месторождения урана, и с легкостью разрушают другие ядра: таков принцип цепной реакции. Природный реактор в Окко, действуя на пониженной мощности, сохранял активность на протяжении сотен тысяч лет.

Этот реактор произвел такое количество продуктов деления, что Фрэнсис Перрен и его коллеги в 1972 году идентифицировали в породах, извлеченных на руднике в Окко, дочерние элементы, образованные в результате распада, и показали, что реактор действовал именно в этом месте. Здесь стоит заметить, что ключевым параметром теории функционирования ядерного реактора, в том числе и природного, является постоянная тонкой структуры. Так вот, исследования реактора в Окко показали, что два миллиарда лет назад значение постоянной тонкой структуры было с точностью до одной стомиллиардной таким же, как и измеряемое сегодня в лаборатории. Еще один камень в огород тех, кто утверждает, что фундаментальные константы могут меняться!