История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Хейзен Роберт

Главная функция фотосинтеза заключается в использовании солнечного света для производства биомолекул из такого распространенного сырья, как углекислый газ, азот и вода. Что касается подходящего химического строительного материала, все важнейшие строительные блоки жизни – аминокислоты, сахарозы, липиды, компоненты ДНК и РНК – могут создаваться из атмосферных газов и солнечного излучения. В отличие от современных зеленых водорослей первые микроорганизмы, владеющие фотосинтезом, не производили кислород. Современные аналоги тех примитивных существ способны образовывать буровато-красноватую пену в застойных водоемах. Некоторые биологи даже предполагают, что громадные дрейфующие плоты занятых фотосинтезом микроорганизмов искажали голубой цвет архейского океана, покрывая его некрасивыми буро-багровыми пятнами.

Как бы мы

могли это узнать? Такие микроорганизмы не имеют твердых компонентов, которые способны были бы сохраниться в виде окаменелостей; дрейфующие «слоеные пироги» водорослей не оставляют явных следов в осадочных толщах. И все же можно найти свидетельства существования древнейших светолюбивых микроорганизмов. Клетки, способные к фотосинтезу (сине-зеленые водоросли), строятся на основе гопаноидов, особых молекул, состоящих из пяти смыкающихся углеродных звеньев (по конфигурации напоминающих столь печально известные в спорте стероиды). После того как микроорганизмы погибают и разлагаются, их многокольцевые гопаноиды могут сохраняться миллиарды лет в мелкозернистых океанических осадочных породах. Чтобы исследовать остатки этих гопаноидов, отделив их от массы основной породы, требуется тщательная химическая обработка образцов. Предварительное описание должно включать всякие мудреные предположения о возможных источниках примесей, древних и современных. Палеонтологи встречают всякое сообщение о молекулах, сохранившихся за многие миллиарды лет, с известной настороженностью, если не сказать с открытым скептицизмом. Как бы то ни было, химические следы существуют – и, может быть, это единственное окно, позволяющее взглянуть на древнюю разреженную биосферу (подробнее об этом см. главу 7).

К миллиардному дню рождения нашей планеты жизнь обеспечила себе прочный, хотя и не вполне объяснимый, плацдарм на ее поверхности. В течение следующего миллиарда лет микроскопические формы жизни слегка меняли приповерхностную среду – вначале за счет ускорения окислительно-восстановительных реакций, а затем с помощью фотосинтеза. Насколько можно судить, даже в возрасте 2 млрд лет Земля не имела сколь-нибудь существенных, вызванных наличием жизни минералогических изменений на поверхности или вблизи нее. Живые клетки производили больше окислов железа, больше известняка, больше сульфатов и фосфатов, чем неживая природа. Они формировали слоистые залежи железных руд на дне океана и сооружали защитные каменистые холмы в прибрежных водах – все эти явления задолго до основного развития жизни существовали на Земле, а также на других планетах и спутниках Солнечной системы.

Но Земля со своими примитивными популяциями клеток подготовилась к наиболее значительной трансформации в своей истории. В течение 1,5 млрд лет микроорганизмы, занятые фотосинтезом, освоили новый химический фокус – стали «выдыхать» крайне активный, агрессивный газ под названием кислород.

Глава 7

Красная Земля

Фотосинтез и Великое кислородное событие

Возраст Земли: от 1,0 до 2,7 млрд лет

Если вернуться к сегодняшним временам, становится очевидным тот факт, что жизнь необратимо изменила приповерхностную среду Земли, особенно океаны и атмосферу, но горные породы и минералы тоже подверглись трансформации. Потребовалось больше миллиарда лет после появления первой живой клетки, чтобы началось преобразование планеты. За это время новые разновидности микроорганизмов успели создать бурую или красноватую пену в некоторых прибрежных зонах. Могли уже появиться к этому времени и пятна зеленоватой слизи у берегов экватора и в мелких внутренних водоемах – благодаря особо изобретательным клеткам, использующим все новые способы поглощения солнечной энергии. Но материки по-прежнему оставались бесплодными: никакие растения не украшали каменистый ландшафт, никакие животные еще не появились, чтобы питаться этими растениями. Мы бы незамедлительно погибли мучительной смертью в этом лишенном кислорода мире.

Поверхность планеты ко времени геологического полудня изменила свой тускло-серый

цвет на кирпично-красный в процессе развития окислительно-восстановительного фотосинтеза и медленного формирования окисляющей атмосферы. Трудно утверждать наверняка, насколько быстро липкая зеленая тина осуществила это преобразование, называемое Великим кислородным событием. Мы можем в лучшем случае гадать об этом по едва заметным изменениям горных пород, которые свидетельствуют о всплеске фотосинтеза вскоре после достижения Землей возраста 2 млрд лет, т. е. 2,5 млрд лет назад. После такого скромного начала события развивались стремительно: ко времени 2,2 млрд лет назад объем кислорода в атмосфере увеличился с нуля до более 1 % от современного уровня, навсегда при этом изменив поверхность Земли.

Загадочная история первоначального насыщения кислородом только начинает привлекать внимание науки, по мере того как открываются все новые данные и свидетельства, которые можно всерьез рассматривать. За последние полстолетия исследование палеоатмосферы сопровождалось множеством различных, порой диаметрально противоположных моделей, но научный подход позволяет отсеивать все несостоятельные и ложные идеи. У нас нет пока полного представления об этом процессе, но мы гораздо ближе подошли к истине, и начинает вырисовываться захватывающая дух (в полном смысле слов) картина.

Свидетельство горных пород

Доказательства существования Великого кислородного события основываются на большом количестве исследований горных пород и минералов, возраст которых охватывает продолжительный период земной истории – примерно от 3,5 до 2 млрд лет. С одной стороны, многие горные породы старше 2,5 млрд лет содержат минералы, которые легко разрушаются от коррозийного воздействия кислорода, что свидетельствует об отсутствии кислорода в окружающей среде в предшествующий этому времени период. Геологи находят невыветренную и округлую гальку пирита (сульфид железа, известный также под именем «золото дураков») и уранинита (самый распространенный из урановых минералов) в древних руслах – местах, где такие минералы в наше время быстро подверглись бы коррозии и разрушению в условиях насыщенной кислородом среды. Древние слои песка тоже отличаются особым химическим составом – необычным избытком таких избегающих контакта с кислородом веществ, как церий, тогда как веществ вроде железа в них поразительно мало по сравнению с современными почвами. Эти химические особенности явно указывают на отсутствие кислорода в той атмосфере.

В противоположность им породы моложе 2,5 млрд лет содержат много однозначных признаков наличия кислорода. В период между 2,5 и 1,8 млрд лет появилось поразительно много массивных залежей оксидов железа, именуемых полосчатыми железистыми формациями. Эти характерные плотные скопления чередующихся слоев черного и красного цвета содержат около 90 % мировых запасов железной руды. В это же время внезапно появились окислы марганца, также в виде многослойных залежей, составляющих большинство основных мировых ресурсов марганцевых руд. В этот же период среди горных пород появились сотни новых минералов – окисленные руды меди, никеля, урана и других пород, – и все это впервые после Великого кислородного события. Однако несмотря на все эти многочисленные минералогические данные, многие специалисты сомневаются, что Великое кислородное событие было таким уж великим на самом деле. Может быть, в атмосфере просто медленно и неуклонно накапливался кислород. Может, свидетельства пятнистых, выветренных камней просто вводят нас в заблуждение.

Явная улика против Великого кислородного события пришла из неожиданного источника – недавно полученные данные по изотопам такого простейшего элемента, как сера. Девяностые годы прошлого века ознаменовались ростом разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометров, рабочих лошадок и главных инструментов анализа изотопов. Новое поколение масс-спектрометров позволило ученым анализировать все более и более мелкие образцы, даже микроскопические зерна минералов или отдельные живые клетки с все более высокой точностью. Одним из самых увлекательных объектов для исследования оказалось такое простое вещество, как сера, поскольку в природе встречается четыре устойчивых изотопа серы: сера-32, сера-33, сера-34 и сера-36. В ядре всех этих изотопов содержится заданное число протонов – 16, а количество нейтронов колеблется от 16 до 20.