Жизнь на Земле появилась сразу же после образования твердой земной коры и первых морей. Возраст древнейших осадочных пород, в которых обнаружен углерод заведомо органического происхождения, составляет 3,8 млрд лет. И на протяжении почти 85% времени биологической истории на планете существовали только микроскопические одноклеточные организмы. Это был совершенно особый мир, формируемый бактериями — единственными формами жизни тогдашней биосферы.
Первичная атмосфера Земли, кроме инертного азота, состояла в основном из аммиака, метана и углекислого газа и была начисто лишена кислорода (сейчас кислород составляет 21% ее объема, углекислый газ всего 0,03%, а метана и аммиака нет вообще).
Весь кислород, содержащийся атмосфере, поступил сюда благодаря фотосинтезирующим организмам. Процесс фотосинтеза — химическая реакция, осуществляемая с помощью фотосинтезирующих пигментов и с использованием энергии солнечного света. Конечными продуктами такой реакции оказываются углеводы, идущие на нужды организма, и молекулярный кислород, выделяемый в окружающую среду.
Цианобактерии (цианофúты), выделявшие в процессе жизнедеятельности кислород, довели его содержание в земной атмосфере протерозоя до 1%. Это была «кислородная революция», завершившаяся 1,7–1,8 млрд лет назад — знаменательное событие, повлекшее перестройку биосферы глобального масштаба. В результате нее была обеспечена возможность появления более сложных организмов, использующих кислород для дыхания (процесс окисления органики и синтеза «энергетических единиц», используемых в различных химических превращениях) и открыт путь дальнейшей эволюции жизни на нашей планете.
Строматолиты
Строматолитами называют постройки, созданные микробами. Название состоит из двух греческих слов: «строма» — подстилка, ковер, прослойка и «литос» — камень. Перевести можно как каменные подстилки, слоистый камень, каменные ковры. В научном мире они еще именуются фитолúтами — камнями, созданными растениями. Фитолиты остаются единственными видимыми свидетельствами того, что в те времена наша планета была обитаема.
Цианобактерии, эти первые на планете живые существа, просуществовали до наших дней 3,5 миллиарда лет и практически не изменились за это время. В современном мире цианобактерии обитают в таких условиях, которые могут переносить только они. Это горячие источники и экстремально соленые морские лагуны, льды Антарктиды с температурой ниже минус 80°, скалы в безводных пустынях и т. п. Иными словами, они встречаются в тех условиях, которые больше всего напоминают обстановку раннего протерозоя — период возникновения и расцвета «бактериальной биосферы».
Сообщества микробных организмов, называемые цианобактериальным матом, это достаточно крупные, обычно прикрепленные на дне слизистые тела толщиной до 2 см. Основу такой колонии составляют фотосинтезирующие цианобактерии, но помимо них в формировании сообщества участвует множество самых различных микроорганизмов, в том числе питающихся производимой цианобактериями органикой.
Постройка начинается с образования пленки мата, нарастающей на камнях или неровностях дна водоема. Сносимые с суши и образующиеся при химических реакциях в морской воде мельчайшие минеральные частицы непрерывным «дождем» оседают вниз, покрывая илом бактериальные маты. Микробные организмы, составляющие мат, чтобы оставаться на свету, мигрируют вверх сквозь накапливающийся слой осадка, образуя поверх него новую поверхность роста. Тем самым они структурируют естественное осадконакопление и слой за слоем наращивают верхнюю поверхность строматолита. Строматолит растет тысячелетиями — пока не прекратит существование мат. Он может приобретать разные формы, в том числе становиться ветвистым, как некоторые кораллы. Тот же осадок заполняет пространство между этими микробиальными постройками, и с течением времени вся масса превращается в осадочную породу. Древние строматолиты слагают многометровые пласты, которые иногда прослеживаются на многие километры.
На разных временных срезах в раннем протерозое (2,1–1,9 млрд лет) котловина Онежского озера входила в состав более крупных морских водоемов — внутриконтинентальных морей или их его изолятов — с очень соленой водой, подогреваемой теплом земных недр. Это было установлено после изучения упомянутой выше толщи осадочных пород, достигающей мощности сотен метров (см. Горные породы…). В той обстановке и процветали циано-бактериальные сообщества, почти две сотни миллионов лет выстраивавшие строматолиты.
По мнению специалистов, ближайший к заповеднику район с котловинами озер Пялозеро и Сундозеро — единственный в Карелии, где палеонтологический материал «собран» из столь широкого возрастного интервала при его достаточном разнообразии и удовлетворительной сохранности. Маленькая окраинная часть этой мощной пачки осадочных пород раннего протерозоя, содержащей слои со строматолитами, находится на северо-западной оконечности территории заповедника «Кивач».
Слева — срезанная эрозией поверхность раннепротерозойского строматолита; о. Предрудный (Красный) в заповедной акватории оз. Сундозеро (фото В. Куликовой). Справа — «живые» строматолиты в заливе Шарк, Австралия (http://900igr.net/up/datai/121722/0007-006-.jpg)
На приведенном снимке купол древнего строматолита разрушен и видны поперечные «срезы» нескольких столбчатых образований, выстроенных колониями микроорганизмов и скрепленных известковым цементом.
Шунгитоносные сланцы
Термином шунгúт именуется превратившееся в подобие угля органическое вещество, входящее в состав протерозойских осадочных горных пород. Название пошло от деревни Шуньгá, стоящей на западном побережье Повенецкого залива Онежского озера, близ которой в 1842 г. было открыто первое месторождение «землистого антрацита». Слоистые осадочные толщи, окрашенные органическим углеродом в черный цвет, называются шунгитоносными породами или черными сланцами.
Исходными продуктами реакции фотосинтеза (см. выше) служат углекислый газ и вода. Обратная реакция, обеспечивающая жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов (дыхание и гниение) заключается в окислении углеводов и органического вещества кислородом. При этом выделяется необходимая для жизнедеятельности энергия, а конечными продуктами оказываются углекислый газ и вода. И если из этого круговорота постоянно удаляется неокисленная органика, то при продолжающемся процессе фотосинтеза в атмосферу будет непрерывно поступать и накапливаться свободный кислород. Что и происходило в раннем протерозое на протяжении сотен миллионов лет: захоронение органического углерода сопровождалось поступлением кислорода в окружающую среду.
Помимо сложно устроенных бактериальных сообществ (матов) в ту пору существовали и свободно живущие, парящие в толще воды микроорганизмы (так называемый планктóн). Это были и фотосинтезирующие, и питающиеся готовой органикой микробы, а также не уступающие им по биомассе бактерии, не нуждающиеся в кислороде и создающие органическое вещество без использования энергии солнечного света. Все они обильно заселяли мелководные бассейны протерозоя. После смерти их остатки опускались на дно, перемешиваясь с минеральными частицами. Так на дне накапливались насыщенные мертвой органикой илы, со временем превратившиеся в черные сланцы. Таким образом, если строматолиты это постройки, создаваемые колониями микроорганизмов при жизни, то протерозойские черные сланцы — это, напротив, захоронения отмерших бактерий в осадочных породах.
На Земле период с 2,2 до 1,8 млрд лет назад ознаменовался захоронением в осадочных породах огромного количества органического вещества. В бассейне Онежской палеопротерозойской структуры (см. Общие сведения) ежегодная биологическая продуктивность могла достигать 2–4 кг органического углерода на м2. По некоторым оценкам, объем накопленного здесь органического вещества составил 25 × 1010 тонн. Горизонты шунгитоносных сланцев в составе осадочных пород раннего протерозоя обнаружены на всех континентах.
Слева — перекат Суны, образованный выходом пласта шунгитового сланца.
Справа — образец черного сланца крупным планом (фото А. Кутенкова)
Прослой шунгитовых сланцев с предполагаемой мощностью не менее 200 м прослеживается по всему правому берегу Суны вплоть до островов Сундозера.