Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 31 страниц)

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]82
  R. E. Kopp and J. L. Kirschvink, «The Identification and Biogeochemical Interpretation of Fossil Magnetotactic Bacteria,» Earth-Science Reviews 86 (2008): 42–61.


[Закрыть], 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]83
  J. L. Kirschvink et al., «Paleoproterozoic Snowball Earth: Extreme Climatic and Geochemical Global Change and Its Biological Consequences,» Proceedings of the National Academy of Sciences 97 (2000): 1400–1405.


[Закрыть], возможно, длился около 100 млн лет[84]84
  J. L. Kirschvink and R. E. Kopp, «Paleoproterozic Ice Houses and the Evolution of Oxygen-Mediating Enzymes: The Case for a Late Origin of Photosystem-II,» Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B 363, no. 1504 (2008): 2755–65.


[Закрыть]. 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.

Глава 6
Долгий путь к появлению животных:
2–1 миллиард лет назад

Период между кислородной катастрофой (с кульминацией 2,3 млрд лет назад) и появлением первых элементарных многоклеточных назвали «скучное миллиардолетие» по той причине, что (предположительно) ничего существенного с биологической точки зрения не происходило. Словно история развития жизни решила передохнуть. Миллиард лет – довольно долгий срок для ничегонеделания. Однако, как это часто бывает, недавно обнаружилось, что не так уж и скучно было. Новые открытия свидетельствуют, что жизнь на месте не стояла. Напротив, этот долгий период начался со значительного насыщения атмосферы кислородом, а около 2 млрд лет назад произошло весьма значительное событие: появление эукариотической формы жизни – жизни нашего типа, с большой клеткой и ядром в ней. С одной стороны, большая часть разнообразных организмов такого нового типа нам хорошо знакома – это различные простейшие вроде амебы, инфузории-туфельки, эвглены и т. п., но с другой – также имеются очень большие и странные окаменелости, в том числе самое необычное ископаемое из когда-либо найденных.

Многие специалисты разделяют точку зрения, согласно которой в период 2,2–1 млрд лет назад, вероятно, кислорода в атмосфере было недостаточно для поддержания жизни крупных животных[85]85
  H. D. Holland, «Early Proterozoic Atmospheric Change,» in S. Bengtson, ed., Early Life on Earth (New York Columbia University Press, 1994), 237–44.


[Закрыть]. (Это, кстати, хороший момент для обобщения различий между животными, многоклеточными и простейшими. Все три типа являются эукариотами, то есть имеют крупные клетки с ядрами и другими органеллами, например, митохондриями. Но животные и многоклеточные – это одно и то же, они состоят более чем из одной клетки, если не считать момента оплодотворения. Простейшие же похожи на животных в своей способности к передвижению и относительно сложному поведению, но состоят только из одной клетки. Тем не менее они намного крупнее и сложнее бактерий). Но если с недостатком кислорода все понятно, то с причинами его возникновения все не так просто. Жизнь была способна к фотосинтезу, и жизнь обогатила мир кислородом, но все говорит о том, что самой жизни было гораздо меньше, чем должно было быть. Для животных необходимо, чтобы атмосфера была насыщена кислородом на 10 % и более (сегодня это 21 %), а «фотосинтезаторы» не выполняли свою работу. Ответ все-таки был найден: виновником оказался элемент, имя которого упоминается практически на каждой странице этой книги, – сера, в своей самой токсичной и в то же время жизненно необходимой форме – сероводород, молекула жизни и смерти. В статье 2009 года, опубликованной в материалах Национальной академии наук, палеонтолог Энди Нолл и его коллеги продемонстрировали[86]86
  D. T. Johnston et al., «Anoxygenie Photosynthesis Modulated Proterozoic Oxygen and Sustained Earths Middle Age,» Proceedings of the National Academy of Sciences 106, no. 40 (2009), 16 925-29.


[Закрыть], что уровни кислорода обязательно должны были превысить известный для того времени уровень, но этого не происходило. Что-то препятствовало этому. Длинный перерыв между появлением одноклеточных организмов в период кислородной катастрофы 2,3 млрд лет назад и возникновением более крупных многоклеточных форм был на самом деле.

Наша новая модель увеличения концентрации атмосферного кислорода и некоторых сопутствующих событий.

Ничего грандиозного и сложного в тот период не происходило, и причина тому – сверхизобилие одноклеточных бактерий, которые использовали серу и составили конкуренцию растениеподобным бактериям с фотосинтезом, расщеплявшим воду на два элемента, но при этом не использовавшим серу ни на одном из этапов данного процесса. Таким образом, два очень разных типа живых организмов соперничали друг с другом за ресурсы, необходимые любой жизни: пространство и пищу. Поглощающие серу микробы, названные зелеными и пурпурными серными бактериями, все еще существуют сегодня, но только в самой ядовитой среде – неглубоких озерах и морских областях, где нет кислорода, но при этом достаточно мелководных, чтобы солнечный свет проникал к ним для фотосинтеза. Правда, в результате такого фотосинтеза кислород не возникает, потому что в ходе процесса не расщепляется вода.

Почти на всем протяжении скучного миллиардолетия океаны имели хорошо выраженное расслоение. Верхний слой был чист и насыщен кислородом, его занимали одноклеточные зеленые растения, которые поглощали солнечный свет и использовали его для своего развития, попутно выделяя кислород. Но под ними, возможно начиная с глубины 3–3,5 м и до самого дна, находились совершенно иные слои морской воды. Такая морская вода в своих верхних слоях приобрела пурпурный цвет благодаря огромному множеству пурпурных серных бактерий. Вода, в которой они обитали, насыщенная токсичным сероводородом, была бы смертельно ядовита для большинства сегодняшних живых организмов. Даже мертвые, эти бактерии могли воровать кислород из атмосферы (неосознанно, конечно, хотя некоторые микробиологи верят, что микробы всегда были хитрющими типами). После смерти их крошечные тела погружались на дно, а может, даже оставались в толще воды, соленой или наполненной осадочными частицами, и, разлагаясь, забирали драгоценные молекулы кислорода из верхнего слоя над ними. Драгоценные молекулы кислорода, предназначенные для атмосферы или чистого океана, расходовались при гниении пурпурных тварей.

Хотя и не много, но на Земле еще существуют места с выраженной стратификацией. Одним из наиболее известных является остров Палау в Микронезии, где находятся знаменитые озера медуз. Здесь в больших водоемах с чистой, насыщенной кислородом водой изящно передвигаются многочисленные медузы. Но буквально в нескольких метрах под этим кристально чистым кислородным слоем находится и другой – темный, полный крайне опасных существ. В нем мало или вовсе нет кислорода, но есть избыток сероводорода. Он темно-пурпурного цвета, населен огромным количеством пурпурных серных бактерий, которые еще в древности делали мир небезопасным для любого, кому было нужно много кислорода, – таким существам в те времена уж точно не было скучно.

Наша пересмотренная модель содержания кислорода в воздухе и в воде.

Серные бактерии и их жизненные потребности в конечном итоге оказались вытеснены на задворки нашей планеты. Но они всегда где-то рядом, всегда наготове, чтобы вернуть себе пространство, которое потеряли, когда в мир вырвался кислород в больших количествах – около 600 млн лет назад. Они – как Империя Зла: и в девонском, и в пермском, и в триасовом, и в юрском, и в середине мелового периодов эта Империя наносила ответные удары, о чем мы поговорим в следующих главах.

Так или иначе, а превосходство серных фотосинтезирующих форм над кислородными было преодолено, этому способствовало поступление в океанскую воду новых больших объемов железа, которое выветривалось из близлежащих и растущих материков. Железо в морской воде вступало в реакции с различными формами серы, превращаясь в тяжелые плотные массивы серного колчедана, и количество серы в системе, таким образом, сокращалось. Это привело к голоду в среде серных бактерий, поскольку без того элемента они обойтись не могли. 600 млн лет назад кислород серьезно укрепил свои позиции, возможно, его количество даже резко возросло, когда был преодолен какой-то критический барьер. А вскоре после этого появились животные. В конце концов не так уж много времени понадобилось для их развития, как только на Земле закончилось адское время огня и серы.