История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

В 1940 г. Рубен и Камен открыли новый способ получения углерода-14, гораздо более удобного изотопа-индикатора с медленным периодом полураспада 5730 лет, что обусловило революционный переворот в биофизических исследованиях и привело к ясному пониманию того, как растения используют воду, углекислый газ и солнечный свет. Если вкратце, то умный (и очень древний) белок оксигеназа – химическое вещество, обнаруженное в определенном типе сине-зеленых водорослей, предположительно существовавших 3 млрд лет с лишним назад – концентрирует углекислый газ и воду, обеспечивая монтаж этих сырьевых компонентов в биостроительные блоки. В процессе реакции фотосинтеза, которая производит кислород, которым мы дышим, водоросли и растения поглощают шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды, чтобы создать одну молекулу глюкозы и в качестве побочного продукта шесть молекул кислорода. Это химическое преобразование представляет собой еще одно воплощение нашей старой знакомой – окислительно-восстановительной реакции (подобной коррозии металла). В этой реакции атомы углерода в составе углекислого газа присоединяют электроны и таким образом восстанавливаются, а вода или другой поставщик электронов окисляется. Энергию ускорения, заставляющую электроны двигаться, фотосинтез получает от солнечных лучей.

Эта реакция может показаться предельно простой – углекислый газ вкупе с водой (или любым другим поставщиком электронов) производит сахарозу и другие биомолекулы, но на самом деле подробности фотосинтеза весьма сложны и все еще не изучены до конца. Например, микроорганизмы выработали несколько способов потребления солнечного света и других источников энергии. Большая часть растений, производящих кислород, используют ярко-зеленый пигмент хлорофилл, который поглощает свет в красно-фиолетовой части спектра. Но на протяжении земной истории многие клетки применяли другие способы фотосинтеза, без образования кислорода. Другие светофильтрующие пигменты образовались в красных и бурых водорослях, пурпурных бактериях, поразительной красоты диатомеях и лишайниках самых разных оттенков. Некоторые изобретательные микроорганизмы применяли в реакциях фотосинтеза инфракрасное излучение – абсолютно невидимая для человеческого глаза часть спектра, однако воспринимаемая кожными сенсорами как тепловая энергия.

Сложные варианты фотосинтеза стали предметом исследования для биохимика Роберта Бланкеншипа, который одновременно заведует двумя кафедрами, химии и биологии, в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Бланкеншип с коллегами, в том числе бывшими сотрудниками влиятельной команды астробиологов из Университета штата Аризоны, исследует признаки ранних форм жизни на Земле и других планетах. В их намерения входит изучить различные варианты фотосинтеза на примере всевозможных разновидностей живых микроорганизмов – пурпурных, бурых, желтых и зеленых, выделяя в их геномах сходство и различие. Они получают данные о сложнейших аспектах фотосинтеза: о различных фотосинтетических пигментах; о точном чередовании молекул белка, при котором электроны передаются от одной молекулы к другой; о многообразных способах использования полученных электронов для строительства блоков живой клетки; о бесчисленном количестве «антенных устройств». (Что примечательно, клетки вырабатывают специальные группы молекул, которые действуют в качестве миниатюрных светоуловителей.)

Бланкеншип считает, что жизнь изобрела невероятное разнообразие приемов фотосинтеза. Похоже, что жизнь пользуется любым доступным источником энергии. Микроорганизмы вырабатывают один за другим новые способы улавливания света, необходимого для роста и размножения, – по меньшей мере пять различных таких способов уходят корнями в древнейшую историю Земли. Многие аспекты этой истории неизвестны, но самые древние и примитивные химические реакции, датируемые 3,5 млрд лет назад, совершенно очевидно, не вырабатывали кислород. Прародители тех первичных клеток дошли до нашего времени и подтверждают, что самые древние организмы были анаэробными, т. е. не только не требовали кислорода, но и вообще не переносили его.

Исследования Бланкеншипа и его сотрудников помимо того, что они выявляют многообразные химические стратегии, еще и указывают на то, что микроорганизмы имеют тенденцию менять и перестраивать гены, ответственные за поглощение света, захватывая фотосинтетические технологии своих соперников, т. е. занимаясь своего рода промышленным шпионажем. На самом деле современная техника фотосинтеза, используемая практически всеми растениями, представляет собой комбинацию двух примитивных схем (прозаично именуемых Фотосистема I и Фотосистема II). Таким образом, современные организмы способны комбинировать биосинтетические реакции, поглощая и используя солнечный свет гораздо эффективнее, чем это происходило на ранних стадиях развития жизни на Земле.

Больше кислорода

Даже без фотосинтеза поверхность Земли неторопливо подвергалась окислению вследствие медленной утечки молекул водорода в космическое пространство. В верхних слоях атмосферы молекулы воды подвергаются разрушительному воздействию ультрафиолетовой радиации и космических лучей, вызывающие распад воды на водород и кислород. Атомы воды превращаются в более простые молекулы, в основном H2 и O2, а также небольшое количество озона O3. Полученные в результате распада легкие и подвижные молекулы водорода H2, в отличие от громоздких и тяжелых молекул кислорода O2 и O3, способны преодолеть земное притяжение и улететь в беспредельные просторы космоса. На протяжении истории Земли какое-то количество водорода таким путем покинуло планету, оставив после себя постепенно накапливающийся избыток кислорода. Этот процесс продолжается и сегодня: ежегодно Земля теряет количество водорода в объеме нескольких плавательных бассейнов олимпийского размера. В результате того же процесса Марс, который меньше Земли по массе и силе гравитации и неспособен удерживать водород, лишился большей части воды. За 4,5 млрд лет большая часть приповерхностного водорода улетучилась с Марса в космос, а железо, близкое к поверхности, подверглось коррозии, что и придало планете характерный красный цвет. Но даже при этом общее количество кислорода в тонком слое атмосферы Марса невелико: если собрать его на поверхности, слой жидкого кислорода составит меньше одной тысячной доли сантиметра.

При увеличении количества кислорода с одновременной потерей водорода поверхность Земли так же приобрела бы ржаво-красный цвет за много миллиардов лет, но вряд ли оно сыграло бы важную роль в формировании окружающей среды на ранней стадии существования планеты. По самым точным оценкам, до Великого кислородного события в атмосфере Земли приходилась менее одной молекулы кислорода на триллион. (В наши дни соотношение один к пяти.) Этот незначительный запас кислорода еще в момент появления был бы мгновенно поглощен на поверхности планеты громадным количеством жаждавших окисления атомов железа в океанах и почве. Даже если бы на Земле не появилась жизнь, наиболее устойчивые области материков украсились бы красноватым оттенком, но этот окисленный слой был бы всего лишь косметическим макияжем.

До эпохи фотосинтеза жизнь, возможно, тоже внесла свой вклад в виде небольшой доли кислорода. На самом деле живые клетки освоили по крайней мере четыре разных способа производства кислорода из окружающей среды. Сегодня кислородный фотосинтез играет главную роль, но в древние времена свою скромную долю внесли и другие биохимические процессы.

Жизнь извлекает энергию из окружающей среды любым доступным ей способом. Простейшим способом получения энергии, сопровождаемым выделением кислорода, является захват богатой кислородом и химически активной молекулы. Именно так некоторые микроорганизмы научились использовать молекулы пероксида (H2O2, образованные в результате различных реакций в верхних слоях атмосферы) для того, чтобы производить О2 плюс энергия. Правда, этот вид молекул не был широко распространен в докислородную эпоху, и вряд ли эти разновидности микроорганизмов могли существенно изменить древний мир планеты.

В Голландии группа микробиологов не так давно представила доклад о более продуктивном способе производства кислорода: они открыли новый вид микроорганизмов, которые получают энергию за счет расщепления оксидов азота. В ранней истории Земли такие оксиды возникали в небольшом количестве при взаимодействии газообразного азота с минералами – например, во время грозовых разрядов. В современную эпоху благодаря распространению и использованию азотных удобрений многие реки, озера и устья рек сильно загрязняются разными видами азотных оксидов, что способствует размножению и процветанию микроорганизмов. Недавно была обнаружена способность микроорганизмов расщеплять оксиды азота на азот и кислород, а затем использовать кислород для «сжигания» природного газа, т. е. метана, получая таким образом энергию. Эта химическая стратегия может оказаться весьма полезной на бедных кислородом планетах вроде Марса.