Книга: Новая история происхождения жизни на Земле

Некоторые соображения геологической науки и кислородная катастрофа

Некоторые соображения геологической науки и кислородная катастрофа

Хотя все согласны с тем, что эволюция синезеленых водорослей была самым значительным биологическим событием на нашей планете (даже более значительным, чем развитие эукариотических клеток и появление многоклеточных организмов), мнения по поводу того, в какой именно период эта биологическая инновация имела место быть, существенно расходятся. Более 50 лет назад геологи выяснили, что некоторые из самых древних речных осадочных пород содержат округлые образцы обычного минерала — серного колчедана («золото дураков»), а также породы с содержанием очень малых объемов урана (этот минерал называется уранинит). Эти минералы крайне нестабильны при взаимодействии с кислородом (как и железо, они сразу образуют ржавчину), и их очень редко можно обнаружить в открытых, насыщенных кислородом океанах и почве, если только они полностью не изолированы от доступа воздуха из атмосферы. Это привело к первоначальному предположению, что в атмосфере кислорода почти не было вплоть до конца архейского эона, возможно, до периода, наступившего 2,5 млрд лет назад или даже позже. Большинство представителей геологического сообщества согласны, что в те времена концентрация кислорода в атмосфере была настолько мала, что и серный колчедан, и уранинит могли находиться на поверхности земли и в морях, не ржавея. Действительно, мы обнаруживаем в геологических слоях возрастом 2,5 млрд лет породы, в которых оба эти минерала встречаются в изобилии, и этот факт подтверждает, что в тот период истории количество кислорода и в воздухе, и в земле было ничтожно мало. А к периоду давностью 2,4 млрд лет оба минерала исчезают из пород, образовавшихся под водой и на поверхности суши. Означает ли это, что синезеленые водоросли появились только после периода, датируемого 2,5–2,4 млрд лет назад? Для понимания истории развития жизни это вопрос чрезвычайной важности. Его решению пришлось посвятить многие и многие годы исследований.

Основной спорный момент заключался в следующем: появились ли синезеленые водоросли около 2,5 млрд лет назад или это произошло на миллиард лет раньше, около 3,4 млрд лет назад, а значит, приблизительно в тот момент, когда на Земле сформировалась жизнь вообще.

Бурная дискуссия о происхождении молекулярного кислорода в земной атмосфере сошла на нет после того, как был применен новый метод изучения истории планеты — сопоставление концентрации изотопов серы. Мы уже знаем (и еще вернемся к этой теме в главах, посвященных массовым вымираниям), что сравнение соединений углерода с изотопами углерода (учитывая, что изотоп — это атом, отличающийся от других количеством нейтронов в ядре) полезно для изучения жизни. Этот метод даже был использован для установления времени появления первой жизни на Земле. Дело в том, что живые клетки предпочитают легкие изотопы атомов одного и того же химического элемента (в нашем случае углерода, кислорода и, как вы сейчас убедитесь, серы). В обычных химических реакциях легкие изотопы продвигаются по этапам процесса быстрее тяжелых, поскольку они имеют ослабленные химические связи, которые создаются и разрушаются быстрее, что обусловливает более быстрое протекание реакции. Поэтому растения предпочитают наиболее легкие изотопы углерода и кислорода их тяжелым собратьям. В 2000 году Джеймс Фаркуар, Марк Тименс и их коллеги из Университета Калифорнии предложили новый метод, позволяющий узнать время появления определенных форм жизни, в основу которого положено соотношение числа изотопов серы в породах, чей возраст установлен.

Фаркуар и Тименс проанализировали распределение изотопов серы в осадочных породах от архея до протерозоя, то есть в период 543–252 млн лет назад, и обнаружили, что распределение изотопов серы в породах старше 2,5 млрд лет сильно отличается от такового в более раннем периоде. Но при этом в породах моложе указанного возраста наблюдается сильное изменение относительной частотности изотопов серы, и это изменение могло быть связано лишь с недостатком ультрафиолетового излучения у поверхности Земли, а такое могло произойти только при условии формирования озонового слоя (первоначального по тем временам), а значит, у нас есть доказательства, что озоновый слой появился не ранее 2,35 млрд лет назад. На это также указывают и другие осадочные породы — индикаторы присутствия атмосферного кислорода.

Итак, кислород появился не ранее 2,4 млрд лет назад, по крайней мере, до того его было недостаточно для образования озонового слоя. А как же тогда быть с тем фактом, что в породах возрастом более 3 млрд лет найдены окаменелости синезеленых водорослей? Представляется, что водоросли развились раньше, но понадобился миллиард лет, чтобы на планете накопилось кислорода на целый озоновый слой. Долгое время нечто сдерживало распространение синезеленых водорослей, и этим нечто было железо — точнее, его малое количество.

Согласно модели Пола Фальковски и его учеников из Рутгерского университета, именно из-за малых концентраций железа синезеленые водоросли не могли с помощью кислорода быстро завоевать мир.

Синезеленые водоросли развивались в верхних слоях океанических вод, и кислород, который они вырабатывали, вступал в реакцию с железом, в результате возникали крошечные частички ржавчины, известные под названием «гематит» («кровавик»). Такое название не случайно, поскольку и минерал красного цвета (цвета крови), и наша кровь насыщены железом. Эти частицы оседали на дно, образовывая ПЖФ (см. выше «полосчатые железистые формации»). Но с уменьшением присутствия железа синезеленые водоросли не могли больше разрастаться. Таким образом, если выработка кислорода и биологическая продуктивность оказывались ниже уровня, необходимого для усиления процесса естественного окисления железа, то кислородный джинн находился в бутылке и не мог вырваться в атмосферу и воду. Но атомы железа постоянно поступали в океанскую воду за счет вулканической деятельности из разломов нашей все еще очень горячей в те времена планеты, и джинн, освободившись около 2,4 млрд лет назад, изменил наш мир. Сейчас нам известно, что планета побывала в двух основных устойчивых состояниях: одно — почти полностью бескислородное, даже несмотря на присутствие синезеленых водорослей, а второе — при наличии кислородной атмосферы, как сегодня.

Такая модель работает, только если океанская вода имеет «стратификацию», то есть поддерживает систему глубинных слоев. Океан, который постоянно перемешивается, вода с поверхности опускается ко дну, а затем снова возвращается к поверхности, будет постоянно насыщен ингредиентами для жизнедеятельности синезеленых водорослей. Их деятельность быстро перекроет геологическую «кислородную недостаточность»[82], например, у дна океана, где вулканы постоянно выбрасывают неокисленное железо по сей день. Один из путей, которым можно преодолеть систему расслоения — глобальное оледенение. Это подводит нас к обсуждению еще одного важного события ранней истории Земли, в дальнейшем повлекшего за собой бурное насыщение атмосферы кислородом, — образования «Земли-снежка».

Во времена архея и раннего протерозоя случилось несколько оледенений, предшествовавших кислородной катастрофе, включая три малых оледенения в период приблизительно 2,9–2,7 млрд лет назад. Но в период 2,45–2,35 млрд лет назад произошло кое-что намного более значительное, и это событие обусловило все изменения, необходимые для фиксирования стратификации океанских слоев, и помешало фотосинтезирующим организмам разрастись в количествах, достаточных, чтобы насытить Землю кислородом. Событие это затормозило образование озонового слоя, не говоря уже о возникновении более крупных — многоклеточных — форм жизни.

За всю историю Земли приостановка стратификации океана возникала редко — лишь когда замерзали полюса. Обычно холодная вода на полюсах погружалась ко дну, вызывая перемешивание. Кроме того, сами по себе ледники также очень хороши в деле выветривания континентальных пород, которые под воздействием льдов превращаются в пыль и возвращаются обратно в океан. А там частицы железа, азота и фосфора (все, чем мы удобряем сегодня наши цветники) кормят синезеленые водоросли, а те быстро размножаются и производят все больше кислорода.

Благодаря мировому оледенению в период 2,45–2,35 млрд лет назад сопротивление сильной стратификации океана и обогащения воды «удобрениями» впервые было сломлено. Самое раннее и самое убедительное свидетельство того, что атмосфера была насыщена кислородом, пришло из крупных марганцевых залежей в Южной Африке, датируемых возрастом 2,22 млрд лет. Такие минералы могли образоваться только при атмосфере, богатой кислородом, а значит, нам теперь наверняка известна самая ранняя дата существования мира фотосинтеза, озонового слоя и присутствия кислорода и в атмосфере, и в океане.

Первый период «Земли-снежка», название которому придумал Киршвинк[83], возможно, длился около 100 млн лет[84]. Замерзший океан, однако, не лучшее место для растений, живущих на поверхности, так что мощное насыщение кислородом не могло начаться, пока не был дан сигнал к таянию. Во времена «Земли-снежка» синезеленые водоросли выжили, вероятно, лишь в отдельных теплых источниках. Земле повезло, что она находится относительно близко от Солнца и в те времена было много активных вулканов, которые выбрасывали в атмосферу парниковые газы, что в конце концов позволило планете выйти из замороженного состояния. Иначе все было бы по-прежнему подо льдом и не было бы жидких океанов. Если бы Земля находилась хоть немного дальше от Солнца, углекислый газ превратился бы в сухой лед, жизнь на поверхности вымерла бы полностью, а возможно, вообще не появилась.

Причины оледенения представляются очевидными: возможно, 2,7 млрд лет назад появились первые фотосинтезирующие организмы, синезеленые водоросли, которые нуждались в углекислом газе, а разница температур воды в жидком и твердом состояниях была столь незначительна, что парниковый эффект пострадал из-за простого потребления углекислоты из атмосферы и воды. Иными словами, оледенение спровоцировала сама жизнь.

Земля со своей новой кислородной атмосферой была весьма странным местом, по крайней мере, для жизни и всего происходящего с ней в те далекие времена. Синезеленые водоросли продолжали выделять кислород, но не было организмов, которые бы им дышали. То есть аэробное дыхание, биохимический процесс, позволяющий нам потреблять кислород, могло развиться только после появления кислорода. А значит, между появлением в атмосфере кислорода и появлением организмов, использующих его для дыхания, был временной промежуток. На самом деле эволюция с энтузиазмом приветствовала бы любой организм, который потребляет кислород, поскольку только молекула, содержащая кислород, как никакая другая способна так ускорять биохимические процессы и высвобождать так много энергии.

Временной разрыв между развитием кислородной атмосферы и появлением организмов, способных к кислородному дыханию, можно определить по геологическим отложениям. Синезеленые водоросли вдруг оказались в мире безо льда, поэтому быстро заполонили новые теплые верхние слои всех океанов 2,2 миллиарда лет назад площадь суши была в разы меньше, чем сейчас, так что синезеленые водоросли размножились в невероятных количествах, быстро увеличивая объемы кислорода. Они дрейфовали в мелководных морских экосистемах, куда легко проникал солнечный свет, и жили даже на поверхности суши. Поскольку эти организмы со страшной силой выделяли молекулярный кислород, значит они так же быстро потребляли и углекислый газ, который образовался в атмосфере во время «Земли-снежка», и, таким образом, океанские природные системы обогащались углеводородами. Сегодня такие легкие углеводороды поглощаются организмами, потребляющими кислород, и снова превращаются в углекислый газ. Возникает, впрочем, вопрос: что происходило с этими процветающими сообществами синезеленых водорослей, если тогда еще не существовало организмов, способных потреблять кислород? Ведь этих водорослей было так много, что это могло вызвать глобальные химические изменения на поверхности Земли, в атмосфере и океанах.

Углеводороды и кислород, смешиваясь на воздухе, образуют взрывоопасную смесь, и достаточно небольшой искры, чтобы запустить бурную реакцию, которую уже не остановить. Но углеводороды, растворенные в воде в виде небольших частиц, могут расщепляться только микроорганизмами. Без необходимого химического взаимодействия на Земле произошел бы серьезный сбой углеродного круговорота. В частности, при образовании большого количества углеводородов в атмосферу обязательно должно было попасть большое количество кислорода.

В действительности период геологической истории между 2,2 и 2,0 млрд лет назад показывает такой сильный дисбаланс соотношения углеродных изотопов, что геохимики даже дали этому времени особое название «Сдвиг», и это самый длительный подобный период во всей истории Земли. Наша планета, стало быть, была территорией кислорода, но без организмов, способных им дышать. Значительные сдвиги углеродного круговорота, вызванного деятельностью синезеленых водорослей, приводили к выделению углеродных соединений, которыми некому было питаться. Остаточные свидетельства накопления этих соединений можно найти в Карелии (Россия). Сегодня большая часть таких соединений, напоминающих нефть, поглощается и расщепляется живыми организмами, которые потребляют кислород. Это показывает, что в древности мир скорее захлебнулся в углеводородах, чем переработал их непосредственным образом. А в результате объемы кислорода увеличивались, пока его не стало столько, что атмосфера переполнилась им, и его давление в атмосфере повысилось. Если бы в те времена на планете существовали леса, было бы достаточно одной молнии, чтобы всю Землю охватил пожар, жар которого превысил бы все известные сегодня случаи больших лесных пожаров.

Этот неоднозначный эпизод в истории развития жизни закончился совершенно неожиданно, когда эволюция произвела первые организмы, которые действительно могли дышать кислородом. Для этого потребовалось появление специальных ферментов. Возник совершенно новый тип внутриклеточного строения, он существует и по сей день — органелла под названием митохондрия, основной источник энергии для клеток-эукариотов. Эти клетки крупнее, чем их предшественники прокариоты (бактерии), они наделены отдельными «комнатками» внутри всего их гигантского клеточного «дома». У митохондрии есть свой собственный маленький сегмент ДНК, принадлежащий ей со времен ее существования в качестве микроба, который научился самостоятельно дышать кислородом, — то есть отдельной свободной бактерии. Но за последние 2 млрд лет она превратилась в «служанку». Интрига в том, что самой точной датой существования последнего общего предка всех эукариотов является период давностью около 1,9 млрд лет — именно тогда, возможно, и появились эукариоты и началось восстановление равновесия в мировом углеродном круговороте. По-видимому, биосфере понадобилось 200 млн лет эволюции, чтобы адекватно отреагировать на присутствие изначально ядовитого кислорода.