Вначале, возможно, в течение более чем миллиарда лет, конвекция мантии под базальтовой корой могла носить хаотический, бесформенный характер. Местами расплавленный гранит неупорядоченными толчками и всплесками поднимался на поверхность, где накапливался, разрушая более холодный, плотный базальт. Отдельные плотные куски этой остывшей коры медленно опускались во внутренние области в процессе глобального теплообмена[10].
В течение следующего полумиллиарда лет движение мантии стало более упорядоченным. Десятки небольших конвективных ячеек, вспучивая магму и опуская вниз блоки старой коры, образовали несколько крупных циклических потоков глубиной сотни и шириной тысячи километров. Там, где такие потоки поднимались на поверхность вдоль глубоководных хребтов, они образовывали новую базальтовую кору, а старый, остывший базальт погружался в мантию под крутым углом – в зонах тектонического разлома. Так на Земле возобладал новый процесс преобразования – глобальная тектоника. В поперечном сечении наружные турбулентные слои Земли, должно быть, представлялись в виде огромных крутящихся воронок, вращение каждой из которых продолжалось не менее 100 млн лет.
Тогда, как и теперь, эволюция земной поверхности является отражением мощных процессов, происходящих в глубинах. В зонах конвекции магмы вздымались громадные базальтовые вулканы. Гигантские впадины образовывались там, где участки старой базальтовой коры погружались в глубины, искривляя и выгибая дно океана. Тектонические сдвиги ускоряли образование гранита. Когда остывшая, влажная базальтовая кора погружалась в недра Земли, она постепенно нагревалась и начинала плавиться – не полностью, но примерно на 20–30 %. Эти растущие массы гранитной магмы поднимались на поверхность, образуя вереницы серых вулканических островов протяженностью сотни километров. На этой стадии началось формирование материков.
Круговорот
Гранит всплывает на поверхность, базальт опускается – вот формула происхождения материков. Магма с гранитной примесью гораздо легче порождающей ее базальтовой породы, а потому эта расплавленная масса медленно и неуклонно поднимается к поверхности и либо по пути кристаллизуется, либо извергается из вулканов, которые выбрасывают на поверхность огромное количество шлаков и пепла. За миллиарды лет истории Земли бесчисленные гранитные острова образовались именно таким образом.
Тектоника плит не только породила цепи таких гранитных островов, но и собрала их в целые материки. Причина кроется в том, что гранит не поддается субдукции. Подобно пробке, он как бы плывет по плотному базальту, который постепенно опускается в мантию. Образовавшись на основе базальта, гранит так и остается на поверхности. Чем больше островов образуется в результате субдукции, тем больше увеличивается площадь гранита. Представим себе погружающуюся тектоническую плиту, усеянную непотопляемыми гранитными островами. Базальтовая плита движется, но острова остаются неподвижными. Они остаются на поверхности, образуя полосу суши как раз над зоной субдукции. Минуют десятки миллионов лет, и таких гранитных островов накапливается в этом месте все больше и больше, формируя все более обширную полосу, по мере того как расплавленный гранит поднимается к поверхности, густеет и превращается в растущий материк. Острова срастаются в протоматерики, которые, в свою очередь, срастаются в континенты, подобно тому как хондриты Солнечной системы когда-то срастались в планетезимали, а потом образовывали целые планеты.
Эпическое движение тектонических плит меняет нашу планету. Тонкая, остывшая и хрупкая земная кора трескается и смещается, словно накипь на поверхности кипящего супа. Цепи вулканов, из которых выплескиваются новые массы базальта, указывают на места восходящих конвекционных потоков. Старая часть коры поглощается в зонах субдукции, которые очерчивают те места конвекционных сот, в которых потоки погружаются. Самые мощные потрясения земной коры – крупные землетрясения, извержения вулканов – всего лишь мелочь, по сравнению с теми глобальными процессами, что происходят в недрах планеты.
Тектоника плит перевернула многие представления науки о Земле. В смутные времена вертикальной тектоники каждая из геологических дисциплин рассматривалась отдельно, без связи с другими. До тектонической революции палеонтологам не о чем было говорить с океанографами; изучение вулканов имело мало общего с исследованием горных руд; геофизиков не интересовало происхождение и эволюция жизни; горные породы одной страны не имели ничего общего с горными породами другой и еще меньше – с породами глубоководных хребтов.
Наука о тектонике плит объединила разрозненные представления о Земле. Появилась возможность с высокой точностью искать по берегам расширяющегося океана местонахождения редких ископаемых организмов. Территории с угасшим вулканизмом указывают горнякам на отложения, содержащие ценнейшие руды, скрытые в соответственных зонах субдукции, давно превратившиеся в материковые горные породы. Геофизические исследования движения материков дают ключ к пониманию процессов эволюции животных и растений. Тектоника плит дает представление о Земле как о целостной планетарной системе, от коры до ядра, в микро– и макромасштабах, объединенной универсальными законами времени и пространства.
Потребовалось немало времени для накопления достаточного количества гранита, пока беспорядочная вертикальная тектоника образующихся в результате всплытия случайных мантийных потоков островов сменилась стройной сборкой континентов в результате субдукционных процессов. Но к тому времени, когда Земле исполнилось 1,5 млрд лет, конвекционные процессы в мантии – области, глубиной около 3 км, содержащей большую часть земной массы и тепловой энергии, необратимо изменили поверхность нашей планеты. В отличие от черного базальта, бесплодные гранитные массивы суши имели беловато-серый цвет, определяемый типичной смесью кварца и полевого шпата. Вообразите себя путешественником во времени – и, попав в тот древний мир трехмиллиардной давности, вы обнаружите знакомые черты. Вы окажетесь на протоматерике, лишенном всякой растительности, окруженные изломанными линиями гор и крутых, глубоких ущелий, отчасти напоминающими изрезанные береговые очертания в высоких арктических широтах. Вам предстоит испытать периоды бурной непогоды вперемешку с ясными солнечными днями, когда по голубому небу плывут белые облака. Вы обнаружите океан, в котором вода перенасыщена растворенными минералами, включая карбонаты кальция и магния, кристаллы, которые время от времени откладывались на базальтовой основе морского дна. Сможете полежать у прохладного голубого океана на первых белоснежных песчаных пляжах, образованных кварцевыми зернами, выветренными из серого гранита. Но вы быстро задохнулись бы в тяжелой атмосфере, содержащей большое количество азота и углекислого газа, без малейшего дуновения жизненно необходимого кислорода.
Образование материков – твердых гранитных массивов земной коры – было всего лишь интермедией в грандиозном спектакле эволюции Земли. Гранитные просторы, сформированные глубинным нагревом и частичным расплавлением приповерхностного базальта, напоминали серую коросту на первозданно-черной коже планеты. Постепенно гранитные плоты, плывущие поверх более плотного базальтового основания, утолщались и поднимались над уровнем океана, образуя корни огромных материков, – именно они, на наш антропоцентрический взгляд, и образуют земную твердь.
Глава 6 Живая Земля
Происхождение жизни
Возраст Земли: от 500 млн до 1 млрд лет
Кто бы мог подумать, что юную Землю (500 млн лет от роду) ждет столь бурное развитие. На ней буйствовали вулканы, но и на многих других планетах и даже спутниках Солнечной системы это происходило не менее бурно. Земля была покрыта океаном, но океан был и на Марсе в ранний период развития планеты, а гигантские спутники Юпитера Европа и Каллисто были покрыты обледеневшим океаном десятки километров глубиной, а значит, у них был куда больше запас влаги на поверхности. Движение тектонических плит преобразовало поверхность Земли, но в начальный период развития конвекционная тектоника, безусловно, действовала на Венере и, возможно, на Марсе.
Состав химических элементов на Земле также мало чем отличался от соседних планет. Базальты и граниты составляли основу всех каменистых планет. Кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо повсюду преобладали. Земля располагала запасами углерода, водорода и серы, но и на других планетах Солнечной системы имелись те же необходимые для жизни вещества. По всем меркам 4 млрд лет назад Земля была самой что ни на есть заурядной планетой.
Но вскоре ей предстояло превратиться в нечто выдающееся в известном нам мире. По общему признанию, она стала уникальной уже в возрасте 500 млн лет, поскольку ни одна другая планета или спутник не перенесли столь драматических потрясений; ни одна из планет не менялась так основательно и так часто. Однако эти метаморфозы касались в основном масштаба, но не сути событий. Самый активный фактор изменения планеты (что, собственно, и сделало Землю уникальной) еще не вступил в действие. Только на Земле возникла обильная, постоянная жизнь. Происхождение и эволюция биосферы и отличает Землю от всех других планет и спутников.
Что такое жизнь?
Что значит быть живым? В чем заключается это феноменальное свойство, отличающее Землю от всех остальных космических объектов? Конечно, можно попытаться описать жизнь как комплекс различных, взаимодействующих свойств – как сложную структуру, связанную со способностью двигаться, расти, адаптироваться и размножаться. Можно сослаться на такие отличительные черты, как клетки, мембраны, длинные цепи генетических молекул ДНК. Но в самом длинном перечне таких свойств обязательно найдутся исключения. Например, лишайники не движутся. Мулы не размножаются.
Более основательное определение жизни можно получить с помощью химии, поскольку все живые объекты представляют собой молекулярные системы, которым свойственны поразительно сложные и упорядоченные химические реакции. Каждая форма жизни состоит из дискретных ансамблей молекул (клеток), отделенных молекулярным барьером от внешней среды. Эти превосходные наборы химических элементов выработали два независимых способа самосохранения: метаболизм и генетику, взаимодействие которых однозначно отличает живое от неживого.
Метаболизм представляет собой разнообразный набор химических реакций, которыми все живые существа пользуются для превращения атомов и энергии окружающей среды в материал клеток. Словно миниатюрные химические заводы, клетки поглощают молекулы вещества и энергию, используя эти ресурсы для обеспечения движения, восстановления, роста и (время от времени) для размножения. И подобно химическим заводам, в отличие от стихийных лесных пожаров или ядерного синтеза первоначальной звездной материи, клетки эффективно контролируют и регулируют все эти реакции через механизм положительной и отрицательной обратной связи.
Впрочем, одного понятия о метаболизме недостаточно для представления о жизни. В отличие от неживой материи, клетки несут информацию в форме молекул ДНК и могут копировать и передавать молекулярную информацию от одного поколения к другому. Более того, эта информация способна мутировать: молекулы нередко воспроизводятся с ошибками, что обеспечивает генетические вариации. Мутации создают химические новинки, обеспечивая способность одним популяциям клеток соперничать с другими, менее удачными, бороться за выживание в условиях изменений климата или приспосабливаться при освоении других экологических ниш.
Таким образом, метаболизм и генетика могут характеризовать живую материю. При этом поразительно, как это биологи до сих пор не сумели дать более или менее универсальное определение жизни. Возможно, ближе всего подошла к такому единому определению Программа экзобиологии НАСА, поставив задачу исследовать происхождение жизни на Земле и возможность ее возникновения на других планетах. В 1994 г. НАСА на круглом столе под председательством Джеральда Джойса из научно-исследовательского института Скриппса выработала такое обтекаемое определение: «Жизнь представляет собой самоподдерживающуюся химическую систему, способную эволюционировать по Дарвину».
Джойс, лидер энтузиастов выведения жизни в лабораторных пробирках (отрасль будущего, условно именуемая синтетической биологией), достиг выдающихся результатов, совершив настоящий прорыв в данной области. Он вывел целую коллекцию тысяч разнообразных молекул, которые способны и поддерживать свое существование, и эволюционировать. Этот сложный, заключенный в стекле процесс дал результаты в виде точных копий различных молекул, с которых начинался эксперимент. Джойс обнаружил, что химическая система, которая воспроизводит до оскомины точные копии самой себя, даже если часть их способна развиваться со временем, представляет собой не что иное, как молекулярный копировальный аппарат. Естественные живые организмы, в отличие от пробирочной жизни, способны мутировать и потенциально превращаться в совершенно другие живые системы – для освоения новой окружающей среды, для выживания в чуждых климатических условиях, выполнять иные задачи, сражаться с соперниками за ресурсы. В результате Джойс пересмотрел собственное определение жизни, включив в него свойство обновления: «Жизнь – это самоподдерживающаяся химическая система, способная к обновлению и эволюции». В этой истории самым замечательным является то, что Джерри Джойс, осознав тонкости живого вещества, скромно подредактировал определение НАСА, вместо того чтобы гордо заявить о себе как о первом создателе (вспомним Франкенштейна) жизни в лабораторных условиях.
Сырье
Каким образом неживая планета Земля могла изобрести систему взаимодействия метаболизма и генетики? Большинство из нас, исследователей, занимающихся вопросами происхождения жизни, предполагают, что первая живая клетка была результатом неизбежного геохимического процесса. Земля обладала для этого всеми необходимыми исходными материалами. Океаны, атмосфера, горные породы, минералы в изобилии содержали важнейшие для этого элементы: углерод, кислород, водород, азот, серу и фосфор. В энергии тоже недостатка не было: солнечная радиация и внутреннее тепло Земли были наиболее надежными источниками энергии, но свой вклад могли также вносить молнии, радиоактивное излучение, падения метеоритов и многие другие источники энергии. (Как следствие, возникло не меньше теорий возникновения жизни, чем существует источников вещества и энергии.)
Однако в одном сходятся все: углерод, самый универсальный элемент Периодической таблицы, сыграл важнейшую роль. Ни один из элементов не может похвастаться возможностью создавать молекулы столь разнообразных форм со столь различными молекулярными функциями. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться как с другими атомами углерода, так и со всевозможными элементами, особенно с водородом, кислородом, азотом и серой, до четырех связей одновременно. Углерод способен образовывать из атомов длинные цепочки, замкнутые кольца, сложные разветвленные структуры – и вообще практически любую форму, какую только можно вообразить. Это дает возможность строить основу белков и углеводов, жиров и масел, ДНК и РНК. Только разнообразные по форме молекулы углеродных соединений могут соответствовать двум важнейшим характеристикам жизни: способности воспроизводиться и способности эволюционировать.
Каждый кусок пищи, которую мы поглощаем, каждый глоток лекарства, каждый участок нашего тела и тел всех других живых организмов содержит углерод. Химические вещества на основе углерода распространены повсюду: в красках, клее, красителях, пластмассах и волокнах нашей одежды и обуви, в страницах и переплетах, в чернилах и, конечно, во всех видах топлива – от угля и нефти до природного газа и бензина. Далее, в главе 11 мы увидим, как возрастает наша зависимость от углеродсодержащих видов топлива и других химических веществ, последствия чего сказываются на тревожных сигналах из приповерхностных слоев планеты – изменениях, которые происходят со все возрастающей скоростью.
И все же углерод не мог сам по себе обеспечить столь поразительный скачок от геохимии к биохимии. Для порождения жизни потребовались все мощные силы планеты: вода, тепло, грозовые разряды и химическая энергия горных пород.
Шаг 1. Кирпичи и цемент
Никто не знает наверняка, как (и когда) произошел переход от безжизненного мира к живой планете, но основные принципы этого перехода постепенно выявляются в десятках лабораторий по всему миру. Биогенез происходил постепенно, шаг за шагом, постепенно усложняя химические формы развивающегося мира. Сначала должен был появиться строительный материал для молекул. Затем мелкие молекулы должны были пройти отбор, собраться и образовать основные элементы жизни: мембраны, полимеры и другие функциональные компоненты клетки. В какой-то момент молекулы начали копировать сами себя, при этом вырабатывая механизм передачи генетической информации от одного поколения к другому. Затем сработал закон естественного отбора – и возникла жизнь.
Первая, наиболее понятная ступень биогенеза заключалась в энергичном образовании молекулярных блоков: сахаров, аминокислот, липидов и прочих соединений. Эти основные вещества, образованные на основе вездесущего углерода, возникали повсюду, где энергия взаимодействовала с простейшими молекулами вроде углекислого газа и воды. Сырьевые ресурсы живого вещества образовывались там, где грозовые разряды пронзали атмосферу, где вулканическая тепловая энергия доводила до кипения океан, даже там, где ультрафиолетовое излучение облучало молекулярные скопления в глубоком космосе задолго до рождения Земли. Древние моря на Земле все более насыщались живым веществом по мере того, как проливались с небес дождем и поднимались из морских глубин биомолекулы.