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

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.

Окаменелости свидетельствуют

Из всех механизмов производства кислорода фотосинтез является безусловным победителем, но как давно в истории Земли начался фотосинтез и производство кислорода? Для палеонтологов, тщательно исследующих фрагментарные остатки древнейших форм живой природы, более наглядна связь между прошлым и настоящим живых организмов, чем для представителей других наук. Поэтому неудивительно, что именно палеонтологи одними из первых обнаружили свидетельства окисления Земли возрастом более 2 млрд лет. В поисках ранних следов фотосинтеза охотники за окаменелостями, естественно, обратились к древнейшим горным породам Земли.

Ископаемые свидетельства древних клеток в лучшем случае разрознены. Бесценные и малочисленные сохранившиеся следы микроорганизмов в течение миллиардов лет подвергались погребению, разогреву, сдавливанию и химическим воздействиям. То, что сохранилось, находится в переработанном и раздробленном состоянии, часто в таком виде, который требует известной доли воображения, чтобы усмотреть в нем биологическую природу. Скопления окаменелых микроорганизмов нередко выглядят как россыпь миниатюрных черных пятнышек, поэтому неудивительно, что всякое сообщение о микроорганизмах возрастом более 2 млрд лет сопровождается скептическим, чтобы не сказать откровенно насмешливым откликом.

В последние 40 лет одним из самых скрупулезных палеонтологов является Уильям (Билл) Шопф, профессор Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе. Основываясь на своих исследованиях древних окаменелых микроорганизмов, он составил контрольный перечень признаков, необходимых и достаточных для подтверждения живой природы образцов. Вначале сосредоточившись на более близких по времени и хорошо сохранившихся, а потому не подлежащих сомнению экземплярах, Шопф уверенно продвигался в изучении все более и более древних окаменелостей, отдаляясь за 3 млрд лет, в область архейского эона.

Критерии, выдвинутые Шопфом, отличаются простотой и логичностью: окаменевшие микроорганизмы должны соотноситься с точно датированными осадочными слоями, залегающими в древней среде обитания этих микроорганизмов. Ископаемые остатки должны иметь единообразную форму и размер, например отчетливую форму шара, стержня или цепочки, в отличие от различного рода бесформенных черных сгустков или полосок, которые можно найти во многих древних горных породах. Кроме того, Шопф и его ученики применяют статистические методы, чтобы исключить любую субъективность, присущую исследователям древнейших осадочных пород.

Этот перечень важнейших признаков для всякого набора ископаемых микроорганизмов неплохо послужил Шопфу. Ему удалось опубликовать безупречные описания новейших ископаемых находок, а попутно подвергнуть сомнению некоторые неподтвержденные претензии конкурентов на обнаруженные следы древнейших живых организмов. Его самое знаменитое выступление состоялось в 1996 г., когда ученые НАСА объявили, что обнаружены следы микроорганизмов в одном из марсианских метеоритов. В исполненной драматизма пресс-конференции, организованной НАСА в августе того же года, Шопф оказался единственным раскольником. С едва завуалированным презрением он отметил, что марсианские «окаменелости» слишком малы по размеру, лишены необходимых химических и биологических признаков и вдобавок обнаружены в несоответствующей породе. Несмотря на убедительность доводов Шопфа, президент Клинтон отозвался с похвалой об этом открытии, которое, возможно, послужило толчком для финансирования исследований НАСА в области астробиологии – деньги важны для всех нас (включая самого Шопфа), занимающихся вопросами происхождения жизни.

По иронии судьбы, сам Шопф вскоре столкнулся с весьма скептическим отношением к заявлению, которое он сделал еще в 1993 г., когда объявил об обнаружении древнейших на Земле ископаемых микроорганизмов в сланце Aпекс, пачке осадков, сформировавшейся почти 3,5 млрд лет назад на северо-западе Австралии. Фотографии весьма любопытных продолговатых структур черного цвета с ячеистой сегментацией выглядели достаточно убедительно. Описание их, опубликованное в солидном научном журнале Science, содержало их художественно выполненные рисунки, расположенные рядом с фотографиями современных сине-зеленых водорослей, внешне похожих на окаменелые образцы. Шопф даже предположил, что найденные им окаменелости, возможно, вырабатывали кислород. В течение нескольких лет эти фотографии наиболее часто использовались в качестве самых популярных палеонтологических иллюстраций и, сопровождаемые надписью «древнейшие окаменелости», украшали многочисленные учебники, нередко вместе с предположением о том, что это были микроорганизмы обладающие фотосинтезом.

Как правило, всякое выдающееся открытие в науке должно сопровождаться выдающимися доказательствами, а также самыми придирчивыми проверками. Все образцы окаменелостей, найденные Шопфом, хранились в Британском музее в Лондоне, в виде скрупулезно каталогизированных тонких прозрачных пластинок породы, приклеенных к предметным стеклам. В 2000 г. палеонтолог Мартин Брейзер из Оксфорда предпринял критический повторный осмотр этого сланцевого материала и пришел к совершенно иному выводу.

«Тонкие пластинки» сланца Apex, представленные Шопфом, оказались довольно толстыми, во всяком случае по сравнению с размерами микроорганизмов. Брейзер и его коллеги в конце концов исследовали большинство этих миниатюрных образцов, сфотографированных и опубликованных Шопфом, и к своему удивлению обнаружили, что большинство фотографий явно вводят в заблуждение. Каждый снимок Шопфа, ставший палеонтологической классикой, представляет собой микроскопическую фокальную плоскость – тонкий и плоский срез поперек темных трехмерных объектов. Брейзер и его сотрудники применили более современную фототехнику, которая позволила сделать трехмерные изображения и обнаружить гораздо более сложное явление. Только при наведении фокуса микроскопа в самую толщу образцов удалось воспроизвести классическое изображение окаменелостей Apex. Но стоило сдвинуть фокус выше или ниже, как такие убедительные на вид продолговатые клетки превращались в извилистые пластины или неправильной формы комки, иногда со складками, ответвлениями или изгибами. Согласно исследованиям Брейзера, «цепочки микроорганизмов» на самом деле являются произвольными поперечными срезами более сложных трехмерных структур, весьма мало похожих на что-либо биологическое. В известном журнале Nature за март 2002 г. Брейзер с коллегами поставил под сомнение выводы Шопфа, опубликовав статью «Подлинность древнейших ископаемых поставлена под сомнение».

Шопф выступил с опровержением, опубликовав в том же номере статью, помещенную рядом со статьей Брейзера. Шопф с коллегами представили новый анализ образцов Apex с их углеродистыми черными вкраплениями, доказывая, что они имеют изотопные свойства и атомную структуру, характерную для биовещества. Он упрямо отстаивал «древнейшие биоокаменелости», хотя отказался от утверждения, что это были микроорганизмы, обладающие фотосинтезом. Как бы то ни было, семена сомнения в правоте Шопфа были посеяны, а в поисках ранних форм жизни были приняты более строгие критерии.

В более поздней публикации Мартин Брейзер и его коллеги из Австралии объявили, что обнаружили «древнейшие окаменелости» – следы микроорганизмов в горном массиве Strelley Pool, сформировавшемся 3,4 млрд лет назад, всего в 35 км от места находок Шопфа, более древних по возрасту, но, как выясняется, сомнительных. Некоторые считают, что на этом можно поставить точку в затянувшемся научном споре.

Самые маленькие окаменелости

Представьте себе, что происходит, когда погибает колония микроорганизмов. Как правило, крошечный мешочек химических веществ, ранее бывший живой клеткой, распадается и рассеивается; крупные биомолекулы распадаются на более мелкие части, в основном на воду и углекислый газ. Самые вкусные куски могут быть съедены другими микроорганизмами, а несъедобные молекулы растворяются в океане, испаряются в атмосфере или застывают в горных породах. Обычно через несколько лет уже ничего не остается, поскольку время безжалостно к таким хрупким микроскопическим остаткам.