Андрей Журавлёв - До и после динозавров
Сейчас речь пойдет о геологически достоверных временах, которым в истории Земли предшествовал довольно длительный период. Тогда на Земле и вне ее существовало столько возможностей для зарождения жизни, что она не могла не появиться. Нужен был ускоритель для сборки сложных химических соединений и отбраковщик излишков. Эту роль могли сыграть минералы. Участие минеральных кристаллов могло ускорить возникновение жизни, и весь путь от неживых организмов до живых носителей информации — генов — мог оказаться весьма коротким (в геологическом масштабе времени, конечно), то есть осуществимым на Земле. Даже если предположить, что живые организмы возникли на Земле около четырех миллиардов лет назад, оставшихся полмиллиарда лет для «кристаллизации» неживых организмов вполне достаточно. Если невероятное все же случилось, не лучше ли считать его неизбежным?
Во всяком случае, жизнь на Земле существует, потому что на Земле существует жизнь. Это не парадокс. Это реальность. Не будь на Земле живых существ, планете была бы уготована участь ядовитой парилки, как Венере, или остывшего пустынного тела, как Марсу. Не сразу биологические процессы взяли верх над геологическими в созидании планетных оболочек — газовой (атмосферы), жидкой (гидросферы) и отчасти твердой (земной коры.) Новые и новые поколения организмов сменяли друг друга, пользуясь тем, что произвели предшественники, и, в свою очередь, преобразуя Землю для потомков. Вот как это было.
Протерозойские морские организмы 1 — планктонные колониальные зеленые водоросли;2 — раскрывшаяся оболочка водоросли; 3 — планктонные акритархи; 4 — планктонные одноклеточные зеленые водоросли;5 — столбчатый строматолит; 6 — красная водоросль;7 — донный акритарх; 8 — раковинная амеба меланокирилл; 9 — пармия (то ли червь, то ли водоросль)
Самые первые
Древнейший период земной летописи так и называется — древнейший (по-гречески — архей.) Он начался около 4 млрд лет назад и закончился 2,5 млрд лет назад. Нижний временной рубеж архея установлен по возрасту первых осадочных пород (переотложенные минералы бывают и старше). Кстати, эти минералы (крошечные зерна циркона) подсказали, что 4,4 млрд лет назад Землю уже покрывала водная оболочка, а температура воздуха над ней не превышала 200 °C. (Вскипанию воды препятствовало высокое давление.)
Вплоть до середины XX века любые открытия остатков жизни в архейских породах не воспринимались всерьез. Считалось, что если хороши ископаемые, то неправильно определен их возраст. Если же возраст верен, то сами ископаемые сомнительны. Но если совсем все сходится, то, значит, дело обстоит гораздо хуже и ископаемые просочились из молодых, неархейских пород.
На деле чуть ли не первые сохранившиеся горные породы (возрастом 3,86 млрд лет) несут в себе следы признаков жизни (или признаки следов), то есть те самые «особые» изотопы. Так, в древнейшем графите (породе, сложенной углеродом) соотношение устойчивых изотопов углерода (13С/12С) сильно сдвинуто в пользу легкой разновидности этого элемента и наоборот, вмещающие породы сохранили изрядное число тяжелых изотопов. Так раскидать изотопы могли только какие-то фотосинтезирующие бактерии.
А теперь о фотосинтезе. Фотосинтезом называют преобразование (греч. «синтезис») бактериями и растениями энергии света (греч. «фотос») в органические вещества. Благодаря этому явлению процветают все растительные организмы.
Одним из признаков живой материи — от бактерий до человека — служит поиск легкой жизни. И при фотосинтезе из обращения изымается более легкий изотоп углерода. Он скапливается в органическом веществе (которое со временем может стать графитом). Среда, наоборот, обогащается более тяжелым изотопом, что практически навечно запечатлевается в осадке. Заметив такую изотопную разницу, можно не сомневаться, что во время накопления осадка водная среда кишела существами, способными к фотосинтезу. Даже основательный нагрев (до температуры 500 °C при давлении в 5000 атмосфер) не в силах изменить первичное соотношение изотопов.
Столь древние находки фотосинтезирующих бактерий не вполне отвечают общепринятым взглядам на древнейшую историю организмов. (Впрочем, «общепринятыми» и принято называть взгляды, менее всего соответствующие фактам.) Согласно таким взглядам, сначала объявились бактерии, способные не дышать кислородом и при этом питаться практически чем угодно, но в готовом виде. Затем возникли микробы, которые, подобно нам, потребляют кислород. Наконец подключились фотосинтетики. На роль первых вроде бы неплохо подходят архебактерии.
Само название «архебактерии» (древние бактерии) призвано подчеркнуть, что они существуют очень давно и столь же отличаются от настоящих бактерий (эубактерий), сколь бактерии от эукариот. К последним относимся и мы с вами. Слово «эукариоты» (греч.) означает «настоящие ядерные организмы», поскольку у них в клетках есть ядро — сосредоточие хромосом, несущих гены. У прокариот (архебактерии и эубактерий) ядра нет и гены находятся в кольцевой хромосоме, лишенной собственной оболочки.
Архебактерии способны выживать при сильной солености, повышенной кислотности, высоких температурах (до 113 °C) и в отсутствии кислорода. Например в кипящей серной кислоте. По своей выносливости они идеально подходят на роль пионеров, осваивавших безжизненную планету.
Есть только одно но: архебактериям требуется органическое вещество. Однако это но перевешивает все остальное. Ведь надо, чтобы это органическое вещество кто-то производил, поскольку каннибализм у них исключен. (Это черта более высокоорганизованных форм жизни.) И какую группу бактерий ни возьми, им нужны другие бактерии, которые готовили бы для них обед, завтрак и ужин. Замкнутый круг какой-то получается, или круговорот. Круговорот хотя бы основных, насущных элементов и обеспечивает существование жизни в виде устойчивого сообщества. Очевидно, что курица не может появиться раньше яйца. Они могут возникнуть только одновременно. Таким же образом любую ветвь бактерий трудно вообразить без всех прочих.
Сообщество, где все организмы выполняют одну работу — только производят или только потребляют, — невозможно. Прасообщество состояло по крайней мере из производителей и разрушителей.
Работа распределяется между членами бактериального сообщества примерно таким образом. Цианобактерии непосредственно из атмосферы усваивают углерод (на свету) и азот (в темное время суток.) Используя солнечную энергию, они создают органическое вещество. Попутно выделяется кислород. Конечный объем органического вещества не может превышать объем разложенного. Иначе все ресурсы быстро исчерпаются. Поэтому в дело вступают другие бактерии — гидролитики (греч. «растворяющие водой»). Они растворяют и разлагают отмершую органику до состояния простых соединений (углеводов; газов, включая водород, углекислый газ, метан, сероводород; уксусную кислоту и др.). Эти соединения нужны сероводородобразующим бактериям, которые восстанавливают сульфаты (соли серной кислоты) и серу. Попутно они возвращают фотосинтетикам исходные вещества. Серный круговорот замыкают другие серные эубактерий. Из-за продуктов бескислородного разложения (водород и уксусная кислота) соперничают сероводородобразователи и метанообразующие архебактерии. Производимый последними метан требуется метанокисляющим эубактериям.
Следы бактериального сообщества встречаются уже в нижнеархейских отложениях на северо-западе Австралии, в Пилбаре. Откуда мы можем это знать? С помощью биомаркеров, которые показывают, кто на самом деле жил в далеком архее. Органические породы из Пилбары, которым 2,7 млрд лет, сохранили биомаркеры цианобактерий и предков эукариот. Прослои железной руды, возможно, отложили железобактерии. В отсутствии сероводородобразующих бактерий (свидетельства их деятельности проявились только в протерозое) главными потребителями цианобактериальной продукции могли стать метанообразующие архебактерии, привычные к отсутствию кислорода. Они не только производили пищу для своих метанокисляющих противников, но и наполняли этим газом атмосферу.
По тем временам метан был для Земли куда важнее кислорода. Ведь солнце накалялось от силы на треть. И атмосфера должна была быть достаточно теплоемкой, чтобы не дать планете раз и навсегда замерзнуть. Основным теплоизолятором мог стать углекислый газ или метан. Метан лучше, чем углекислый газ, держит тепло и вполне годился на роль первичной теплоизолирующей оболочки.
Не будь ее, не нашли бы в архейских отложениях остатки древнейших существ. И искать бы было некому. Обнаружить в архейских слоях возрастом 3,5–3,3 млрд лет можно исключительно микроскопические и простые шарики да ниточки. Одни бактерии по форме совершенно не отличимы от других. Лишь характерное соотношение изотопов углерода проясняет цианобактериальную природу некоторых окаменелостей. Подобные шаровидные и нитчатые ископаемые просматриваются на прозрачных срезах кремнистых слойков.
