Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
В добиологическом «бульоне» любое скопление молекул, обладавших малейшим полезным свойством, имело преимущество. Но все эти молекулярные войны блекнут по сравнению с преимуществом, которым обладали нити РНК, способные не только функционировать, но и создавать копии самих себя. Молекула, обладавшая свойством репликации, обеспечивала себе выживание, создавая более или менее одинаковых «дочек». Процесс репликации был неизбежно беспорядочный, поэтому некоторые из копий оказывались мутантами. Большинство мутантов просто погибали или не обретали никакого особого преимущества, но некоторые превосходили своих родителей, и за счет этого осуществлялась эволюция системы. Благодаря какой-нибудь случайной ошибке исходная молекула производила потомство, которое лучше переносило высокое давление, повышение температур или солености окружающей среды; оно могло ускорить процесс репликации, находить новые источники питания или уничтожать более слабых конкурентов. Те молекулы РНК, которые надежно укрепились на минеральной поверхности или нашли безопасное убежище внутри мембранной капсулы, получили еще больше преимуществ.
Не имея конкурентов, первоначальные самовоспроизводящиеся молекулы захватывали богатые питанием области в мгновение геологического ока. Может быть, это парадоксально звучит, когда мы говорим о том, что микроскопические молекулы захватывают пространство, но почему бы не вспомнить, что первой, относительно слабой самовоспроизводящейся молекуле понадобилась всего неделя, чтобы создать копию самой себя. (В отличие от этого многие современные микроорганизмы размножаются за считаные минуты.) Неделя за неделей две молекулярные нити превращались в четыре, четыре – в восемь, и т. д. При такой скорости потребовалось бы около полугода, чтобы сформировалась плотная масса, состоящая из 100 млн самовоспроизводящихся молекул, т. е. достаточно крупный объект, видимый невооруженным глазом. Еще через 20 недель масса РНК-молекул уже могла бы заполнить наперсток. Добавим еще 20 недель – и первые проявления жизни могли бы заполнить приличных размеров ванну.
Продолжающееся еженедельное удвоение дало поразительную трансформацию. Через следующие 20 недель РНК уже занимала целые километры водных просторов, либо вдоль берега, либо во внутреннем озере, либо в глубоководных областях. И уже через два года, учитывая, что каждая нить РНК еженедельно удваивается, на Земле появился уже миллион кубических километров живого вещества – достаточно, чтобы заполнить Средиземное море.
Примитивные одноклеточные организмы, которые питались химической энергией горных пород, вряд ли могли серьезно повлиять на геологию Земли – на распределение приповерхностных пород, например, или на разнообразие минеральных веществ. Живая или еще нет, 4 млрд лет назад поверхность нашей планеты оставалась бесплодной, черной или серой, климат менялся медленно, так что первые формы жизни мало что изменили в покрывавшем планету голубом океане.
Первые разрозненные микроорганизмы почти не оставили следа, поэтому трудно с уверенностью сказать, когда именно возникла жизнь. В небольшом количестве в самых древних осадочных породах, образовавшихся в мелководных условиях океанов около 3,5 млрд лет назад, содержатся достоверные ископаемые остатки микроорганизмов. В неглубоких местах колонии одноклеточных отлагали один минеральный слой за другим, образуя куполообразные каменные строматолиты от нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре. Многослойные одеяла из микроорганизмов (микробиальные маты) покрывают целые полосы прибрежного пространства, укрепляя и переформируя пески в приливно-отливных зонах. Через все геологические эпохи до нас даже дошло небольшое число сферических образований, насыщенных углеродом, со стенками, напоминающими клеточные, – скорее всего, следы окаменелых микроорганизмов. Однако неопровержимых свидетельств не найдено. Геохимические следы углерода и других биоэлементов, сохранившихся в претерпевших значительные изменения за почти 4 млрд лет породах, весьма занимательны сами по себе, но вряд ли послужат убедительными доводами для геологического сообщества.
Так когда же возникла жизнь? Если вы настаиваете на том, что жизнь возникла рано, что она возникает часто, на любой подходящей для этого планете или на спутнике, тогда, возможно, вы согласитесь, что уже 4,4 млрд лет назад на Земле имелась устойчивая биосфера – т. е. жизнь образовалась за первые 150 млн лет существования Земли. Для этого были все условия: океаны и атмосфера, минералы и энергия. Столкновения с гигантскими астероидами и кометами могли представлять значительную угрозу гадейским формам жизни, пожалуй, за исключением тех выносливых клеток, которые приспособились к высоким температурам и давлениям в своих защищенных убежищах – горных породах под поверхностью океанского дна. Возможно, жизнь зарождалась не единожды, а заново возникала много раз, пока Земля не вошла в более спокойный постпубертатный возраст. Если все обстояло именно так, тогда окаменелости возрастом 3,5 млрд лет отражают экосистему, находившуюся в процессе создания по крайней мере в течение миллиарда лет.
Если же вы полагаете, что жизнь возникает с трудом и встречается весьма редко на просторах космоса, тогда вы, скорее всего, поддержите теорию, согласно которой жизнь зародилась на Земле примерно 3,5 млрд лет назад. Может, жизнь вообще настолько маловероятна, что для ее возникновения на Земле потребовался целый миллиард лет минерало-молекулярного взаимодействия на территории сотни миллионов кубических километров океанической коры. Возможно, эти редкие, драгоценные окаменелости, сохранившиеся со времен архейского эона, и знаменуют собой истинное начало биосферы.
Живая Земля
Когда бы ни возникла первая жизнь, 4,4 млрд или позднее 3,8 млрд лет назад, факт остается фактом: она мало изменила древний облик планеты. Те первые микроорганизмы просто усвоили химические уловки, уже знакомые Земле. С первых дней существования нашей планеты на ее твердой поверхности или в приповерхностных областях происходят химические реакции. Суть их сводится к распределению электронов: атомы в мантии в среднем располагают гораздо большим количеством электронов, способных вступать в химические реакции, чем атомы в земной коре. Мантия более «плотная», тогда как кора более «окисленная», выражаясь химическим жаргоном. Когда плотные химические вещества встречаются с окисленными – например, когда плотная магма и газы из мантии вырываются на окисленную поверхность во время извержения вулкана, они часто испытывают химические реакции с высвобождением энергии. Во время этого процесса электроны первых переходят ко вторым.
Ржавчина, возникающая от взаимодействия железа с кислородом, – типичный пример такой реакции. Твердое железо переполнено электронами – там столько электронов, что часть из них свободно проходит сквозь металл и проводит электричество. Таким образом, железо является донором электронов. Газообразный кислород, напротив, испытывает такую недостачу электронов, что два атома кислорода должны соединяться, чтобы образовать молекулу О2, в которой атомы делятся своим скудным запасом электронов, словно пайком на необитаемом острове. Кислород является идеальным акцептором электронов. Когда металлическое железо встречает молекулы кислорода, происходит стремительный обмен электронами. В результате этого обмена возникает новое химическое соединение, окись железа, сопровождаемое небольшим выбросом энергии.
Помимо железа электронами насыщены и другие металлы: никель, марганец, медь – и они тоже подвергаются окислению. Окисляются и многие из простейших углеродистых молекул, возникших в результате молекулярного синтеза в добиологических процессах, включая метан (природный газ), пропан и бутан. Газообразный кислород редко встречался в первичной атмосфере Земли, но его активно заменяли другие охотники за электронами, включая сульфаты (SO4), нитраты (NO3), карбонаты (CO3) и фосфаты (PO4).
До возникновения жизни окислительно-восстановительные реакции происходили сравнительно неторопливо. Но первые микроорганизмы быстро научились перемещать электроны ускоренными темпами. Живые клетки становились посредниками в передаче электронов во многих местах: в прибрежных водах, на мелководье, в осадочных породах на дне океанов. Колонии микроорганизмов обеспечивали себе пропитание за счет ускорения темпов реакций, используя высвобождавшуюся при этом энергию для роста и размножения. Окись железа появилась на Земле с самого начала, но возникшие позднее микроорганизмы ускорили ее образование. Играя свою роль в процессах обмена электронами, жизнь стала понемногу изменять структуру земной поверхности. Микроорганизмы использовали обильный источник энергии, доступной в виде железа, растворенного в гадейском и архейском океанах; они окисляли железо, образуя ржаво-красный гематит – эта химическая реакция высвобождает достаточно энергии, чтобы обеспечить целую экосистему. Массивы осадочных пород железа, обнаруженные в Австралии, Южной Африке и других районах, можно считать остатками пиршества микроорганизмов, длившегося десятки миллионов лет. Вот так и началась удивительная совместная эволюция геосферы и биосферы.
