Практически все железо, добытое в мире с древности до наших дней, взято из одной разновидности породы, которая сформировалась на определенном этапе развития Земли.

Большая часть железа, которое мы применяем, дают полосчатые железистые формации (а также образовавшиеся из них осадочные породы). Каждая формация может протягиваться на сотни километров и иметь толщину несколько сотен метров, а лучшие руды содержат более 65 % железа. Как следует из названия, у них характерная полосатая структура, причем полосы могут быть от миллиметра до нескольких сантиметров шириной. Эти слои состоят из железорудных окислов – гематита и магнетита, чередующихся с кремнями или сланцами.

Эти породы невообразимо древние. Подавляющее большинство полосчатых железистых формаций возникли на планете одновременно в относительно краткий период 2,2–2,6 миллиарда лет назад, примерно тогда же, когда образовывались первые континенты. Поскольку вся железная руда на планете возникла приблизительно одномоментно, это указывает на то, что тогда в истории Земли произошло какое-то очень важное событие. Полосчатые железистые формации залегли на дне древних океанов, и их полосы отражают колебания условий в первобытных водах: руда оседала из воды на дно в виде плавного дождя из частичек железистых минералов, и это перемежалось с периодами осаждения нормального морского ила. Но вот что любопытно: сегодня железо растворяется в морской воде только в исчезающе малых концентрациях. Откуда же около 2,4 миллиарда лет назад в морской воде взялось столько железа? Что тогда было иначе?

Если бы мы отправились в прошлое, в те времена, когда возникли полосчатые железистые формации, мы очутились бы в совершенно чуждом мире. Недра юной Земли были тогда гораздо горячее нынешнего, и это должно было вызывать бурную вулканическую активность. Всю поверхность планеты занимал океан, в котором лишь кое-где появились дуги вулканических островов и крошечные зарождавшиеся континенты. Бесплодную поверхность планеты беспощадно выжигало ультрафиолетовое излучение Солнца. Небеса, вероятно, заволакивала ядовито-желтая дымка, воздух был перенасыщен азотом и углекислым газом. А главное, в нем не было кислорода: ходить по родной планете нам пришлось бы в скафандре.

Сегодня кислород составляет не меньше пятой части вдыхаемого нами воздуха. Но в первую половину жизни Земли в ее атмосфере и океанах практически не было газообразного кислорода. Кислород в атмосфере и газообразный кислород, растворенный в морской воде, возник благодаря живым организмам. Некоторые организмы способны впитывать энергию солнечного света, чтобы преобразовывать углекислый газ в органические молекулы, из которых состоят клетки, а в процессе расщепляют воду, то есть H₂O, и высвобождают кислород в виде отходов. Эта биологическая алхимия называется «фотосинтез» и обеспечивает клетке поразительную самодостаточность: она может вырабатывать все необходимое из одного лишь света, углекислого газа и некоторых других растворимых питательных веществ.

Клетки, развившие у себя способность к фотосинтезу и расщеплению кислорода, называются цианобактерии, или сине-зеленые водоросли. Все более сложные формы жизни, впитывающие солнечный свет, – диатомеи, водоросли, а также все растения и деревья на суше, – унаследовали эту способность в результате события, произошедшего около миллиарда лет назад и имевшего колоссальное значение для эволюции: кто-то из их одноклеточных предков заключил цианобактерию внутрь себя. И именно крошечные первые цианобактерии, кишевшие в первобытных морях и испускавшие кислородный выхлоп своей фотосинтетической машинерией, в конечном итоге насытили кислородом всю планету. Геологи, изучающие перемены в древних горных породах, видят четкий показатель первого повышения уровня кислорода 2,42 миллиарда лет назад – так называемой Кислородной катастрофы. Хотя уровень кислорода тогда составлял каких-то несколько процентов от теперешнего, то есть совсем мало для дышащего человека, Кислородная катастрофа возымела самые серьезные последствия для химии Земли и развития жизни. В сущности, это была самая значительная революция в истории планеты.

Вскоре после Кислородной катастрофы, около 2,2–2,3 миллиарда лет назад, Земля, по всей видимости, вошла в самый продолжительный и, возможно, самый суровый ледниковый период в своей истории. Солнце тогда было примерно на 25 % тусклее нынешнего, и чтобы сохранить на поверхности жидкую воду, Земле требовался значительный парниковый эффект, который изолировал бы планету. Древняя атмосфера содержала существенное количество метана, мощного парникового газа, однако избыток кислорода реагировал с метаном и, в сущности, уничтожил его, лишив планету теплого одеяла. Температура на поверхности резко упала, и произошло глобальное оледенение – возникла так называемая «Земля-снежок»: толстый слой льда покрыл планету почти полностью. В таком замороженном виде Земля пробыла 10 миллионов лет, пока в результате вулканической активности в атмосфере не накопилось столько углекислого газа, что началось великое таяние. Спасение планеты от периодов глубокого оледенения – одно из главных преимуществ вулканизма для жизни на Земле.

Многие микроорганизмы, существовавшие во времена Кислородной катастрофы, не выдержали контакта с реактивным газообразным кислородом, и загрязнение атмосферы убило их – это был кислородный холокост. Чтобы выжить при новом миропорядке, организмам нужно было эволюционировать, чтобы стать устойчивыми к присутствию отравляющего газа, а для этого либо изобрести способы обратить его реактивность себе на пользу и получать в результате метаболизма больше энергии, как сделали наши одноклеточные предки, либо ограничиться ареалами обитания, куда кислород не проникает, например глубокими недрами Земли или илом на морском дне.

Однако более сложные многоклеточные организмы – растения и животные – не могли выжить без кислорода, а кроме того, им требовался озоновый слой, защищавший поверхность планеты от гибельного ультрафиолета. Поэтому, хотя великое множество организмов отравилось реактивным кислородом или было вынуждено искать себе бескислородные убежища, кислородная катастрофа проложила путь всей сложной жизни на планете. Уровень газообразного кислорода в атмосфере наконец достиг нынешних величин, что около 600 миллионов лет назад сделало возможным появление животных.

Это возвращает нас к вопросу о возникновении полосчатых железистых формаций, которые мы добываем по всей планете. Окисленное железо плохо растворяется в воде, и это объясняет, почему в современных, насыщенных кислородом океанах так мало железа. Зато восстановленное железо прекрасно растворяется, поэтому в океанах на первобытной Земле до Кислородной катастрофы такого растворимого железа было много: оно высвобождалось из подводных вулканов или вымывалось реками при эрозии массивов суши. Во время Кислородной катастрофы цианобактерии, изобиловавшие в океанах, медленно, но верно насыщали кислородом поверхностные воды. Однако океанские глубины оставались бескислородными и поэтому были богаты растворенным железом – его было примерно в 2000 раз больше, чем в современных морях. Но каждый раз, когда глубинные морские воды попадали на мелководье шельфов, они смешивались с кислородом, отчего железо окислялось, не могло оставаться растворенным и оседало на морское дно – так и возникли полосчатые железистые формации. И планета заржавела.

Практически все железо, которое мы добывали с древности до наших дней, отложилось за 200 миллионов лет Кислородной катастрофы 2,42 миллиарда лет назад в виде полосчатых железистых формаций. В этом смысле сегодняшнее голубое небо, животворящий воздух, который мы вдыхаем полной грудью, и железо, тысячелетиями снабжавшее наши цивилизации орудиями труда, глубоко взаимосвязаны. Но у кислорода есть и другое полезное свойство: он позволяет нам применять огонь.

На протяжении 90 % истории планеты огня на Земле не было. При извержениях вулканов в атмосфере не хватало кислорода на поддержание горения. Таким образом, повышение кислорода не только обеспечило условия для развития сложных форм жизни на Земле, но и подарило человечеству огонь как инструмент. Первоначально мы применяли его, чтобы защититься от ночного холода и затаившихся хищников, готовить еду и расчищать землю. Человечество научилось обращать себе на пользу его преобразующий жар: обжигать глину, чтобы получалась твердая керамика и строительные кирпичи, изготавливать стекло, выплавлять металлы для инструментов. Сегодня мы применяем огонь, чтобы вырабатывать электричество и обеспечивать великое множество промышленных процессов, и заставляем крошечные огненные взрывы служить нам в цилиндрах автомобилей. В наши дни жизнь без огня невозможна в той же мере, что и жизнь наших предков времен палеолита, которые теснились вокруг костра, – просто мы прячем огонь за кулисы современного мира.