Мы сегодня располагаем некоторыми сведениями о том, каковы были океаны и атмосфера 3,5 млрд лет назад. Скорее всего, концентрация углекислого газа значительно превышала сегодняшний уровень. Атмосфера была насыщена водяными испарениями, а также метаном. Без тех архейских парниковых газов, водяных паров, метана и углекислоты на Земле вряд ли существовала бы жидкая вода. Было очень жарко, но во времена, когда Солнце являлось гораздо менее активным, планета, скорее, согревалась сама - благодаря парниковым газам, без которых атмосфера не смогла бы удержать тепло. Но это была атмосфера без кислорода.
Многое из того, что мы знаем о том, весьма продолжительном, архейском периоде, приходит благодаря изучению современных аналогичных природных условий. Среды с низким содержанием кислорода довольно редки в наших теперешних океанах, но намного чаще встречаются в современных небольших озерах. На самом деле, многие озера сегодня сильно расслоены и содержат тонкий кислородный слой (образованный взаимодействием с атмосферой), под которым лежат слои, в которых кислорода вовсе нет. Изучение микрожизни в таких слоях позволяет узнать, что представляли собой сообщества микроорганизмов в далеком прошлом. В современных озерах, как, видимо, и в древних архейских морях, одними из наиболее значимых для углеродного круговорота являются организмы, которые связаны с химией метана. Как упоминалось ранее, метан помогает удерживать тепло, отраженное от земной поверхности и стремящееся улетучиться обратно в космос. Некоторые бактерии могут расщеплять метан и использовать его в качестве пищи. Таким образом его употребляли многие ранние формы жизни, а это значит, что жизнь, едва сформировавшись, сразу переключилась на другой вид потребления энергии. Прямо как автомобили в своем развитии: сначала им нужен был пар, потом дизельное топливо, потом бензин (и дизельное топливо, и бензин - углеродные соединения, несущие энергию, как и метан), а вскоре и водородное топливо. Только человечество обращается к водородному топливу в последнюю очередь, тогда как жизнь начинала именно с него.
Много информации о раннем этапе истории развития жизни на планете дают нам осадочные породы. Например, одной из особенностей архейских осадочных отложений является частое проявление в них яркоокрашенных красных слоев. Они называются полосчатыми железистыми формациями, или ПЖФ. Эти интересные осадочные породы не образовывались в земной коре в более или менее значительных объемах на протяжении последних 1,85 млрд лет, за исключением одного-двух периодов "Земли-снежка" в конце докембрия, о чем мы расскажем подробнее в следующей главе. У железистых формаций есть загадка, которую уже долго не могут разрешить: чтобы так широко распространиться тонким слоем, железу надо быть растворенным в воде, а это означает, что оно должно было иметь восстановленную форму, которая называется закись железа, она придает земле зеленоватый цвет. С другой стороны, чтобы высвободиться, железу необходимо иметь окисленную форму красного цвета, быть оксидным железом, которое просто оседает в воде в виде частиц, а не растворяется как сахар. Проблема в кислороде: закись железа постоянно реагирует со свободной молекулой O2 и создает красную окисленную форму. Любое железо или железный минерал красного цвета показывает, что железо подвергалось этому химическому преобразованию, которое мы по-простому называем ржавчиной и которая почти всегда требует присутствия молекулы O2. Как же получалось, что кислородный уровень океанической воды, с одной стороны, был довольно низок, что приводило к существованию железа в растворяемой форме, а с другой - достаточно высоким, чтобы создавать ржавчину? Этот вопрос уже очень давно ставит ученых в тупик.
Более 50 лет назад Престон Клауд, один из известнейших исследователей докембрийской палеобиологии из Университета Калифорнии, выдвинул гипотезу, что кислород, необходимый для окисления растворенного железа, особенно в океанах, происходил от деятельности фотосинтезирующих простейших, известных как синезеленые водоросли, цианобактерии (Cyanobacteria). Это единственный на планете организм, который сам научился производить дающий жизнь фотосинтез - процесс расщепления молекулы воды и высвобождения атома кислорода, если описывать буквально. Некоторые из его потомков "порабощены" теперь другими организмами и служат нам всем как зеленые светоулавливающие органеллы в растениях и других водорослях. Сегодня каждое растение на Земле имеет крошечные "капсулы", эволюционировавшие из тех первых синезеленых водорослей, но теперь они - рабы "эндосимбиоза", выполняющие прихоти многоклеточных растений. Престон Клауд представил себе плавающий "кислородный оазис" таких первых крошечных фотосинтезаторов-цианобактерий, каждая из которых производила крошечное количество кислорода, и за сотни миллионов лет они кардинально изменили природу не только жизни на Земле, но и химию океанов, атмосферы и даже твердого покрова нашей планеты. С каждой новой порцией кислорода, выброшенного в архейский океан, маленькие частицы ржавчины оседали на дне, медленно, но неуклонно накапливаясь в полосчатые железистые формации.
Молекулярный кислород - одно из самых ядовитых соединений. Все, кто принимает антиоксиданты вместе с витаминами, знают, что они помогают избежать рака, возникновение которого обычно провоцируется кислородом, разрушающим деликатную клеточную химическую систему и в результате превращающим ее в убийцу-зомби. Антиоксиданты - не просто рекламный миф. Кислород в своем химическом неистовстве разрушает клетки, преобразует, а зачастую и убивает их. Тогда как же организмы, которые производят такой яд, остаются в живых в момент выделения кислорода?
Здесь возникает классический вопрос о курице и яйце. Любая форма жизни, которая научилась выделять кислород, но при этом не обзавелась антиоксидантными ферментами, убила бы саму себя. Таким образом, сначала должна была развиться система контроля над кислородом. Но весь кислород в атмосфере производится фотосинтезом, то есть кислород не должен был появиться, пока эволюция не создала защитные механизмы от него! А значит, должен был существовать какой-то неорганический источник молекулярного кислорода, под воздействием которого первичные клетки выработали бы систему защиты против яда. Этот процесс подобен тому, в результате которого мы защищаем себя от смертельных болезней: в детстве подвергаемся их малому воздействию и тем самым даем нашему организму возможность постепенно создать защиту.
Так откуда же взялся этот ранний кислород для "вакцинации", если не из фотосинтеза? Очень сложно произвести кислород небиологическим путем. Реально работающий способ - это фотохимическая реакция под воздействием ультрафиолета, того самого, который вызывает солнечный ожог. Ультрафиолет, встречаясь с водой и углекислым газом в атмосфере, производит остаточный уровень O2 и других соединений. Сегодня солнечное ультрафиолетовое излучение в основном блокируется озоновым слоем высоко в атмосфере, очень далеко над слоями, содержащими водяные пары (которые замерзают). Но в ранней истории планеты кислорода и, соответственно, озонового слоя не было, а значит, не было и защиты от ультрафиолета. Стало быть, очень сильное ультрафиолетовое излучение Солнца воздействовало на Землю и создавало небольшое количество молекул кислорода - недостаточное для дыхания, но вполне достаточное, чтобы жизнь на него отреагировала и эволюционировала в конце концов до форм, способных выживать при большом объеме кислорода.
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", 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.