Знание-сила, 2009 № 09 (987) - Тун

Дело не в «невероятной случайности», а в том, что мантия нашей планеты постепенно остыла. До тех пор бесчисленные извержения вулканов вновь и вновь выбрасывали на поверхность Земли лаву, богатую никелем. В результате эрозии частицы застывших пород, — а значит, и крупицы никеля, — со временем попадали в реки и моря. Когда же активность вулканов поутихла, исчез и важнейший источник поступления никеля в толщу морской воды.

«По времени эти два события очень хорошо совпадают. Как только содержание никеля уменьшилось, атмосфера начала обогащаться кислородом, — отмечает Доминик Папино, — и, судя по тому, что мы знаем о живущих ныне метанобразующих бактериях, понижение содержания никеля ведет к резкому сокращению выработки метана».

Что ученые знают об этих бактериях? Что никель им нужен, чтобы производить три важнейших для них фермента. Когда популяция бактерий недополучает никель, ее численность начинает сокращаться. По-видимому, эта история — «катастрофа» для одних, «радость» для других — и произошла в древних океанах почти мгновенно, в какие-то «миллионолетия». Началось массовое вымирание метанобразующих бактерий. А вот не очень нуждавшиеся в никеле водоросли и цианобактерии — организмы, вырабатывающие кислород, — стали заполнять опустевшее пространство, побеждая в этой дарвиновской борьбе. И вслед за их торжеством радикально изменился состав земной атмосферы. Произошло «The Great Oxidation Event», «Великое окисление».

Цианобактериям потребовалось примерно полмиллиарда лет, чтобы путем фотосинтеза довести содержание кислорода в атмосфере почти до его нынешних показателей. Впрочем, уже 2,4 миллиарда лет назад это значение, по расчетам ученых, было достаточно высоким, чтобы считать атмосферу планеты «кислородной». Развилка эволюции была пройдена. Барьер пал. Планета стала подготовлена для появления известных нам сложных форм жизни.

Вырасти до небес!

За время существования нашей планеты предельная величина живых организмов всего дважды радикально менялась, как установили авторы исследования, проводившегося под эгидой Стэнфордского университета. Первый «большой скачок» произошел примерно 1,6–2,0 миллиарда лет назад, второй — около 600 миллионов лет назад. В обоих случаях этому предшествовало заметное повышение содержания кислорода в атмосфере.

Итак, на протяжении первых полутора с лишним миллиардов лет существования живых организмов — бактерий и других одноклеточных, напоминавших бактерии, — их размеры оставались ограниченными. Уж слишком сбалансированы были у них процессы обмена веществ, чтобы они вдруг стали стремительно меняться в размерах. «Большинство сообществ раннего и начала позднего протерозоя состояло из простых внешне форм. Они занимали практически все свободное пространство на море и, возможно, на суше», — пишет в своей книге «До и после динозавров» наш постоянный автор, палеонтолог Андрей Журавлев.

И все же революция назревала. Ведь подспудно произошло важнейшее событие, определившее судьбы жизни на Земле: некоторые простейшие организмы научились использовать энергию солнечного света — «изобрели» фотосинтез. Побочным продуктом этого процесса был молекулярный кислород. Постепенно атмосфера наполнилась им.

Это привело к усложнению клеточных структур. Произошел, как уже сказано, первый «большой скачок». «В этот период в ископаемой летописи начинают попадаться остатки эукариот. Эукариоты — это организмы, обладающие ядром (хранилищем генов), сложными клеточными органеллами (своеобразными органами клетки) и более совершенным способом полового размножения, когда наследственный материал сосредоточен в расходящихся парных хромосомах» (А. Журавлев).

Извержение подводного вулкана в архипелаге Тонга 17 марта 2009 года

Вулкан Редаут на Аляске

С появлением эукариот резко меняются размеры живых организмов.

Теперь они почти в миллион раз больше своих предшественников. Эукариоты будут доминировать на Земле более миллиарда лет.

Однако около 600 миллионов лет назад содержание кислорода в атмосфере вновь — по не объяснимой пока причине — начинает расти. Расцветают «сады Эдиакары» (подробнее о них читайте статью К. Еськова в «З-С», 6/01). На нашей планете появляются первые многоклеточные животные (сейчас известны тысячи различных представителей эдиакарской фауны). По своей величине они значительно превосходят все прежние организмы, существовавшие на Земле.

«Всего» за 100 миллионов лет предельные размеры обитателей биосферы возрастают в миллионы раз.

Возможно ли повторение подобных событий в будущем? Исследователи из Стэнфордского университета сомневаются в этом. Наша планета попросту слишком мала, чтобы на ней могли выжить популяции животных, которые в те же миллионы раз превосходят нынешних крупных млекопитающих. Им не хватит ни пищевых ресурсов, ни жизненного пространства.

Кислород и первый ледниковый период

Международной группе исследователей под руководством профессора Университета штата Мэриленд (США) Алана Кауфмана удалось доказать, что наступление первого ледникового периода на планете было вызвано резким насыщением атмосферы кислородом около 2,5 миллиарда лет назад.

В рамках проведенного исследования геологи изучили изотопный состав горных пород на территории региона Трансвааль в Африке. Им удалось установить, что в данном регионе геологические следы движения древних льдов совпадают по времени с изменениями в серном цикле, которые считаются признаком появления кислорода в атмосфере. Кроме этого, анализ позволил выявить резкие изменения, произошедшие и в углеродном цикле в это же время, что, по словам ученых, также характерно для оледенения.

Геологи полагают, что резкое насыщение кислородом атмосферы привело к его реакции с метаном с образованием углекислого газа, парниковые свойства которого гораздо слабее. В результате планета начала охлаждаться. Также появление кислорода привело к образованию озонового слоя, который создал защиту для морских организмов-оксигенов, то есть производящих кислород. В результате последние поднялись ближе к поверхности океанов, что привело к росту их кислородной производительности, тем самым усугубляя последствия насыщения кислородом атмосферы.

Согласно самой распространенной теории, причиной кислородной катастрофы считается появление микроорганизмов-оксигенов, способных к фотосинтезу.

При этом известно, что организмы появились на 300 миллионов лет раньше, чем наступила кислородная катастрофа. Для объяснения этой задержки ученые выдвигают следующую гипотезу. По их словам, первые такие организмы появились в океанах. При этом вырабатываемый ими кислород шел в основном на реакцию с железом, которое насыщало первые водоемы. В результате в течение длительного времени кислород не попадал в атмосферу. Однако когда железо закончилось, этот газ стал в больших количествах выделяться из океанов.

Интересно отметить, что недавно появилось исследование, которое устраняет данную задержку. Согласно новым результатам, изменения в серном цикле, которые считаются следствием кислородной катастрофы, могли начаться раньше, чем считалось до сих пор.

От панспермии до до трансспермии: когда перед жизнью открыты все пути

Александр Волков

Безумной и фантастичной может показаться мысль о том, что жизнь на Земле… возникла из руин какого-то другого мира, но я утверждаю, что в ней нет ничего ненаучного.

Лорд Кельвин