Кислород. Молекула, изменившая мир - [21]

Эти данные подтверждаются появлением континентальных красноцветных отложений примерно 2,2 — 1,8 млрд лет назад. Отложения песчаника, вероятно, образовались в процессе эрозии горных массивов за счет реакции свободного кислорода с железом. Тогда по бесплодной поверхности Земли протекали красные реки — сейчас мы так представляем себе ядерную зиму. Но некоторые вымытые эрозией минералы не попадали в море, а оставались в долинах или намывных равнинах, образуя сланцевые отложения. Поскольку они образованы продуктами эрозии, мы можем ориентироваться на них только для оценки временнóго интервала, но не для определения концентрации кислорода в воздухе[15]. Временные рамки изменений концентрации кислорода в воздухе, определенные с помощью углеродных подписей в горах Гренландии и красноцветных отложений, отражены на рис. 2.

Рис. 2. Геологическая временнáя шкала, отражающая события середины докембийского периода (архей и ранний протерозой). Обратите внимание на расцвет эволюции в период от 2,3 до 2 млрд лет назад, связанный с ростом концентрации кислорода в воздухе до 5 ― 18% по отношению к современному уровню

Еще одним свидетельством роста концентрации кислорода около 2 млрд лет назад являются необычные микроископаемые — природные ядерные реакторы, обнаруженные в Окло (Габон, Западная Африка). Растворимость урана, как и железа, зависит от кислорода. Но, в отличие от солей железа, в присутствии кислорода растворимость солей урана повышается. Основным минералом урана в горах старше 2 млрд лет является уранинит (настуран), но в более молодых горах эта руда встречается крайне редко. Этот резкий переход связан с ростом концентрации кислорода. По-видимому, с повышением концентрации кислорода окисленные соли урана стали вымываться из урановых руд в горах и попадать в реки. Их концентрация не могла быть выше нескольких частей на миллион.

В Габоне 2 млрд лет назад нескольких рек слились, образуя мелкие озера с придонными бактериальными матами (сообществами), подобными тем, что существуют до сих пор в гейзерах Национального парка Йеллоустон в США и в других местах. Некоторые бактерии из этих матов использовали в качестве источника энергии растворимые соли урана, превращая их в нерастворимые соли, которые осаждались на дне мелких водоемов. За последующие 200 млн лет бактериальные маты высадили тысячи тонн черной урановой руды.

Уран в основном встречается в виде двуx изотопов (оба радиоактивных), о чем знает большинство людей, переживших эпоху холодной войны. Период полураспада изотопа ²³⁸U составляет около 4,51 млрд лет. Это означает, что половина ²³⁸U, присутствовавшего в облаке радиоактивной пыли в момент зарождения Земли, все еще где-то существует. Изотоп ²³⁵U разлагается гораздо быстрее — с периодом полураспада около 750 млн лет, так что бóльшая часть ²³⁵U уже расщепилась на другие элементы в результате испускания нейтронов. Если один из нейтронов попадает в ядро соседнего атома ²³⁵U, это ядро распадается на крупные фрагменты примерно одинаковой массы и один или несколько дополнительных нейтронов, и при этом выделяется значительная энергия, эквивалентная потере массы. Вспомним, что связь энергии с массой описывается знаменитым уравнением Эйнштейна: Е = mc². Если атомы ²³⁵U находятся в тесном контакте, с высокой вероятностью вновь испускаемые нейтроны попадают в другие ядра ²³⁵U. В таких условиях может происходить цепная реакция деления ядра, приводящая к ядерному взрыву.

Эта реакция происходит в том случае, если изотоп ²³⁵U достигает не менее 3% общей массы урана в образце. На сегодняшний день изотоп ²³⁵U составляет примерно 0,72% всего урана, поэтому для создания атомной станции или ядерной бомбы старого образца урановую руду нужно обогащать. Однако 2 млрд лет назад ²³⁵U было больше, и его содержание в урановых рудах как раз составляло около 3%. Поэтому бактерии — любительницы урана в Габоне сосредоточили вокруг себя достаточно обогащенной изотопом ²³⁵U руды, чтобы начать цепную ядерную реакцию. Во всяком случае, именно к такому выводу пришли французские спецслужбы в 1972 г. Однако содержание изотопа ²³⁵U в месторождениях в районе реки Окло оказалось гораздо ниже, и тут началась паника. В некоторых партиях руды содержание ²³⁵U было даже ниже 0,72%. Страшно подумать, что в Африке, только что сбросившей колониальное иго и периодически охватываемой волнами массовых беспорядков, какое-то племя могло выкрасть уран для изготовления ядерной бомбы. Французы немедленно занялись этой проблемой, и вскоре большая группа ученых из Комиссариата по атомной энергии Франции выяснила, в чем дело.

Образцы руд из района Окло хранили явные следы радиоактивного распада, хотя были экстрагированы из нетронутых пластов. Тонны ²³⁵U подвергались радиоактивному распаду в нескольких отдельных местах, производя в миллионы раз больше энергии, чем при естественном распаде. По-видимому, эти природные реакции на протяжении миллионов лет поддерживались непрерывным потоком воды, ручьями стекавшей в древние урановые озера. Вода замедляла скорость нейтронов, отражая их обратно в ядро реактора, поэтому она не гасила реакцию, а способствовала радиоактивному распаду. Однако вода делала не только это — она служила еще и защитным клапаном, предотвратившим ядерный взрыв. Как только цепная реакция достигала опасного порога, вода испарялась, и нейтроны рассеивались. Это останавливало цепную реакцию и отключало реактор до восстановления потока. Никаких свидетельств ядерных взрывов в этой местности обнаружено не было. В конечном итоге вся эта система оказалась погребена под слоем осадочных пород, где и оставалась в неизменном виде до прибытия французов. Это следы изобретательности бактерий, обитавших на Земле за 1,8 млрд лет до того, как Энрико Ферми и его группа в Чикаго применили человеческий разум для создания первой атомной бомбы. И следы эти можно воспринимать как завещание, свидетельствующее о возможности безопасного и долгосрочного захоронения ядерных отходов.