История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
Лет десять назад, работая в Австралийском национальном университете, Саммонс возглавил группу ученых, которые прославились тем, что исследовали любопытные осадочные породы в Пилбара-Кратоне на западе Австралии, горном массиве, сформировавшемся примерно 2,7 млрд лет назад. Там они получили доступ к уникальной скважине глубиной около километра, в которой обнаружился слой черного глинистого сланца, богатого углеродом, – именно в таких отложениях есть шанс обнаружить молекулярные фоссилии. Горные породы Пилбара вызывали особый интерес, поскольку они сохранились в неприкосновенности от воздействия тепловой энергии, грунтовых вод и каких-либо видов жизни на поверхности. Если когда-либо существовала порода, в которой могли сохраниться биомолекулы, они нашли именно ее.
Австралийские исследователи сосредоточили
Скрупулезные исследования Саммонса в австралийской лаборатории вызвали к жизни две выдающиеся статьи, опубликованные в августе 1999 г. Первая появилась в журнале Science (открывал список авторов аспирант Саммонса Джокен Брокс) и описывала обнаружение в древних породах Пилбара возрастом 2,7 млрд лет особого класса молекул, называемых стеранами, впоследствии признанных древнейшими молекулярными окаменелостями, побившими прежний рекорд на целый миллиард лет.
Обнаружение стеранов может пролить свет на древние экосистемы, поскольку разные породы используют разные типы стеранов с дополнительными атомами углерода, налипающими в различных местах вокруг колец. Брокс и его команда предположили, что стераны из Пилбара свидетельствуют о существовании в то время продвинутого вида клеток, называемых эукариотами: это клетки, имеющие ядро, которое содержит ДНК. Ко времени опубликования этой статьи древнейшая из известных ископаемых эукариот имела возраст один миллиард лет, в то время как примитивные микроорганизмы, существовавшие, как считалось, около 2 млрд лет назад, не имели ядра, так что это предположение поразило, если не сказать вызвало откровенное недоверие у научной общественности. Если это открытие верно, то из него следуют только два вывода. Либо эукариоты появились намного раньше, чем считалось до того (и соответственно эволюция жизни ускорилась), либо стераны возникли гораздо раньше эукариот. В любом случае наши взгляды на происхождение жизни подлежали пересмотру.
Вторая статья, опубликованная в журнале Nature (уже с Саммонсом в качестве главного автора), содержала не менее поразительное сообщение о том, что черные сланцы возрастом 2,5 млрд лет с горы Мак-Рей (всего лишь около тысячи метров высотой) содержат разновидность гопаноида – молекулы, состоящей из пяти колец с дополнительным атомом углерода, прилипшим сбоку первого кольца. Эти молекулы 2-метилгопаноида присущи только цианобактериям, главному производителю кислорода на планете. Саммонс пришел к выводу, что фотосинтез шел полным ходом на Земле уже 2,5 млрд лет назад. Такая хронология вполне совпадала с известным увеличением объема кислорода в то время, но само предположение о том, что происхождение фотосинтеза можно проследить по сохранившимся фрагментам молекул, открывало далеко идущие перспективы для палеонтологии.
Однако далеко не всех убедил Саммонс. Подобно открытым ранее Шопфом «древнейшим окаменелостям Земли», «гопаноиды Саммонса» встретили серьезное сопротивление как со стороны самого Джокена Брокса (относительно собственной докторской диссертации), так и со стороны всех других исследований, где речь идет о признаках биомолекул старше 2 млрд лет. Скептики утверждают, что юные гопаноиды распространены повсюду. Даже глубоко под поверхностью земли, в горных породах живут микроорганизмы, так что за 2 млрд лет накапливается неизбежная путаница. Несомненно, гопаноиды существуют, но кто может утверждать, когда и как они появились в этих слоях породы. Будем держаться в курсе событий: всегда интересно следить за научными дискуссиями, тем более что они, как правило, ведут к новым открытиям.
Песчаные
Где еще могут вести поиск палеонтологи? Из всех ответов, накопленных за время исследования окаменелостей, имеющих отношение к истории фотосинтеза, исследовать бактериальные маты – самый очевидный, хотя это и наименее изученная область. В наше время они образуются по всему миру в мелких прибрежных океанских водах и вдоль берегов медленно текущих рек и потоков, где стебли водорослей, переплетаясь, образуют толстые, запутанные слои. Эти прочные, похожие на ткань маты обеспечивают водорослям доступ к влажной, освещенной солнцем среде обитания и в то же время защищают от неизбежного, разрушающего воздействия течений и волн. Несмотря на свое почти вездесущее присутствие, палеонтологи почти не проявляли интереса к ископаемым бактериальным матам до того момента, как сделала свои открытия Нора Ноффке.
Более десяти лет я имел возможность помогать Норе Ноффке, профессору геобиологии в Университете Олд Доминион (Норфолк, штат Виргиния), специалисту с мировым именем в области исследования древних бактериальных матов. Наделенная редкой наблюдательностью, уникальным видением перспективы и железной целеустремленностью, она избрала одну из самых малодоступных областей в мире для проведения полевых исследований. Устремляясь в отдаленные и опасные места Южной Африки, Западной Австралии, Намибии, знойного Ближнего Востока и ледяной Гренландии, она открыла такие палеонтологические чудеса, которые до этого никому и в голову не приходило искать. Нора собирала все новые и новые доказательства того, что бактериальные маты вырастали на самых древних песчаных берегах Земли.
Важность исследования бактериальных матов объясняется тем, что они должны обладать какой-то разновидностью фотосинтеза. Остатки бактерий в черных кремнях и сланцах могли появиться на глубине, далеко от солнечных лучей. Можно с некоторой уверенностью предполагать, что строматолиты на мелководье, образовавшиеся 3,5 млрд лет назад, поддерживали фотосинтез, хотя эти минерализованные бугры могли просто служить укрытием в неблагоприятных, размываемых волнами средах обитания. Однако бактериальные маты наверняка имели механизм фотосинтеза. Для чего скоплениям микроорганизмов держаться в опасной приливной зоне, если только не ради солнечного света?
Для полноты представления о достижениях Норы Ноффке можно обратиться к другим, действительно древним фоссилиям. За последние полстолетия палеонтологи в поисках древнейших форм жизни сосредоточили внимание на трех основных видах горнорудных формаций. Прежде всего это черные кремнистые сланцы вроде сомнительных сланцев Apex, обнаруженных Шопфом. Черные кремнистые сланцы стали первой палеонтологической сенсацией в начале 1960-х, когда палеоботаник из Гарварда Элсо Баргхорн обратил внимание на сланец возрастом 1,9 млрд лет, который встречается в железорудном горном массиве Ганфлинт в северной части Миннесоты и на западе Онтарио. Баргхорн тщательно исследовал тонкие, прозрачные срезы мелкозернистой породы, содержащей кремний, и обнаружил, что в нем можно различить отчетливые следы окаменелых древних бактерий. Вместе с геологом Стэнли Тайлером, который десятилетием раньше впервые заметил загадочные шарообразные вкрапления в кремнях Ганфлинта, Баргхорн описал удивительный набор явно живых клеток – микроскопической экосистемы шариков, палочек и нитей, причем некоторых из них в процессе деления. Несмотря на десятилетиями возникавшие все новые заявления об открытии более древних окаменелостей, некоторые палеонтологи до сих пор считают кремни Ганфлинта содержащими, бесспорно, древнейшие окаменелости клеток, обладающих фотосинтезом.
Второй вид породы – углеродистые черные сланцы вроде тех, которыми занимался Роджер Саммонс с коллегами, по-видимому, представляют собой наиболее богатый источник окаменелых биомолекул. Глинистые сланцы, донные отложения тины и органического мусора, наверняка содержат остатки древних бактерий. Микроскопические слои сланцев, сформировавшихся в Австралии, Южной Африке и других местностях миллиарды лет назад, служат материалом для самого тщательного исследования. По мере появления более совершенных и чувствительных электронных приборов, способных различать даже отдельные молекулы, можно ждать важных открытий в этом направлении.