Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
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.
Третий вид формаций, содержащих окаменелости, – это строматолиты, представляющие собой слоистые куполообразные структуры из минеральных отложений, образованных ранними формами жизни. Палеонтологи, вероятно, были бы озадачены происхождением этих курганов, сохранившихся чаще всего в известняковых породах, если бы не современные живые рифы из строматолитов, встречающиеся на мелководье; самые живописные из них встречаются в отдаленном заповеднике Акульей бухты в Западной Австралии. Такие странные осадочные образования возникают, когда слизистая поверхностная оболочка бактерий, обладающих фотосинтезом современных живых рифов, формирует минеральные наслоения – слой за слоем. Сотни строматолитов обнаружены по всему миру, в том числе в горных породах старше 3 млрд лет.
Черный кремнистый сланец, черный глинистый сланец и строматолиты – к этому списку древнейших на Земле формаций, содержащих окаменелости, Нора Ноффке добавила четвертый тип горных пород: песчаник. Вполне объяснимо то, что на песчаник не обращали должного внимания. Большинство окаменелостей сохранилось в мелкозернистых породах вроде кремнистого сланца, глинистого сланца или известняковых рифов – отсюда и внимание к черному кремнистому сланцу, черному глинистому сланцу и строматолитам. В отличие от них песчаник обладает более грубой структурой, зерна которой превышают размеры большинства микроорганизмов. К тому же песчанистые породы преимущественно сосредоточены в береговой зоне, в неспокойной полосе приливов, где все следы жизни быстро уничтожаются – разрушаются, смываются и рассеиваются. И все же Ноффке в течение двух десятилетий исследовала современные приливные отмели с их богатыми экосистемами и в результате обнаружила, что жесткие, волокнистые бактериальные маты оставляют заметные следы на песчаном мелководье вдоль линии берега. Их морщинистые отпечатки на поверхности песка напоминают складки на скатерти; они улавливают и задерживают частицы осадка в массе густых, упругих жгутов водорослей; они изменяют рисунок, оставляемый на песке рябью; под воздействием штормов они разрываются плотными кусками, которые скатываются в рулоны наподобие персидских ковров.
Большинство песчаников в естественных обнажениях на вид гладкие или слегка волнистые без всяких признаков чего бы то ни было биологического. Но однажды Ноффке попался образец с характерной морщинистой, потрескавшейся поверхностью, похожей на окаменелые бактериальные маты в древних горных породах, и она обнаружила отчетливые следы почти на всей поверхности. В 1998 г. во Французских Альпах подобные морщинистые структуры Ноффке выявила на обнажениях пород Черной горы (Montagne Noire) возрастом 480 млн лет. В 2000 г., после научно-исследовательской работы в Гарварде, она отправилась к еще более древним горам в Намибии (возраст 550 млн лет) и обнаружила там похожие следы. Факт существования бактериальных матов полмиллиарда лет назад отнюдь не является новостью; все палеонтологи сходятся на том, что такие маты могут встречаться повсюду и в гораздо более древних прибрежных породах. Но до Ноффке никому не пришло в голову тщательно исследовать сначала современные маты, а затем распознать подобные следы, сохранившиеся в виде бесспорных окаменелостей в древних породах.
В 2001 г. Ноффке сделала первое из своих революционных открытий, обнаружив следы бактериальных матов в горных формациях старше 3 млрд лет в Южной Африке и Австралии, т. е. гораздо раньше предполагаемого Великого кислородного события. Такие мелкие следы невозможно разглядеть под ослепительным сиянием полуденного солнца, но вечером, в конце череды долгих, утомительных и нередко бесплодных поисков, когда солнечные лучи освещают горные склоны под большим углом, характерные морщинистые структуры на обнажениях песчаника становятся отчетливо видны. «Эти отпечатки просто бросались в глаза повсюду», – вспоминает она об одном захватывающем открытии, случившемся в самом конце последнего дня полевой экспедиции в Африке.
Нора впервые обратилась ко мне в 2000 г. по рекомендации своего гарвардского наставника, палеонтолога Энди Ноула. Мы с Энди дружили еще с наших студенческих 1970-х; в какой-то момент научные дороги у нас разошлись, но обоюдный интерес к астробиологии снова нас сблизил. Ноул понимал, что исследования древних матов у Ноффке почти целиком основывались на поверхностных признаках и нуждаются в теоретическом обосновании. Рядовой палеонтолог, не имеющий опыта Ноффке в исследованиях современных матов, легко проглядел бы или попросту отмахнулся от странных ребристых отпечатков или морщинистой поверхности выходов горных пород. Ноул посоветовал ей подкрепить исследования матов аналитическими данными по минералам, биомолекулам и изотопам, сохранившимся в мелкозернистых слоях породы. Возможно, следы древнего углерода или концентрация характерных минералов окажутся неопровержимым свидетельством для некоторых древнейших, хотя и сомнительных, признаков бактериального мата. Мне уже доводилось работать с другими учениками Ноула, поэтому я согласился.
Первые же присланные Ноффке образцы дали нам наглядный урок о необходимости аналитического исследования. Она нашла тонкие извилистые черные слои в песчаных отложениях возрастом 3 млрд лет – в тот момент для бактериальных матов это могло оказаться рекордом древности. В этих черных отпечатках ей необходимо было подтвердить присутствие углерода с характерными для живого вещества изотопными признаками, чтобы, например, тяжелого изотопа углерода-13 было бы процента на три меньше по сравнению с тем, что характерно для типичной земной коры. Она уже написала статью для журнала Science и собиралась отправить ее, ожидая только единственного подтверждающего отзыва. Образцы породы были срочно экспресс-почтой отправлены из Кембриджа в Геофизическую лабораторию. Я оказался в цейтноте.
К счастью, моя коллега Мэрилин Фогель, эксперт по изотопам углерода в Геофизической лаборатории Института Карнеги, согласилась помочь. Мэрилин осмотрела образец и подсказала мне, что делать: разбить кусок породы и истолочь его в порошок, поместить по несколько микрограммов порошка в маленькие чашечки из оловянной фольги, взвесить образцы и свернуть каждую чашечку в миниатюрный шарик размером с дробинку. Эти образцы и образцы эталонного изотопа углерода были затем по очереди помещены в печь, в которой любые соединения углерода испаряются в газообразный диоксид углерода. Газ поступает в высокочувствительный масс-спектрометр, где разделяется на изотопы углерода-12 и углерода-13. Чтобы получить убедительные данные, понадобилось всего несколько часов.
