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

При необычных обстоятельствах – например, если мертвые клетки оказываются быстро погребенными, а вокруг нет разрушителя-кислорода и камень не слишком накаляется, – наиболее прочные биомолекулы могут сохраниться, хотя и в измененном виде. Больше всего шансов у молекул с прочной основой из примерно двадцати атомов углерода, иногда связанных в простую длинную цепь (с налипшими по бокам несколькими атомами углерода), иногда в группу колец (наподобие олимпийского символа). Эти биопризнаки представляют собой нечто вроде миниатюрного скелета. Они остаются от гораздо более крупных скоплений действующих молекул, распавшихся и лишенных всего, кроме наиболее устойчивого остова.

Если обнаружить такой молекулярный скелетик в древней осадочной породе и при этом быть уверенным, что он не попал сюда из соседнего, более молодого слоя или вообще из недавно погибших живых клеток (например, от современных приповерхностных микроорганизмов или омертвевшей кожи с вашего пальца), тогда можно заявить об открытии химического ископаемого – окаменелости, т. е. атомов некогда живого микроорганизма. Отсюда и очарование черными вкраплениями, найденными Шопфом в сланцах Apex.

Многие современные специалисты, занимающиеся молекулярной палеонтологией, ведут восхитительную двойную жизнь. Они могут предпочесть суровую стезю полевого геолога, пробираясь по труднодоступной местности, вынося на себе по полсотни килограммов многообещающих образцов горных пород, добытых где-нибудь в забытых Богом закоулках прожаренной солнцем пустыни, промерзшей тундры или горных вершин. Год за годом небольшие группы отправляются в Западную Австралию, Южную Африку, Гренландию или Центральную Канаду в поисках все новых и новых образцов. Могут трудиться на буровых установках в надежде добраться до древнейших пород, не затронутых ни климатом, ни растительностью. Эти экспедиции нередко сулят многие месяцы трудностей, опасностей и лишений.

Такая полная приключений жизнь контрастирует с месяцами скучного анализа, проводимого в стерильных лабораториях, где малейший вздох или отпечаток пальца могут необратимо испортить драгоценный образец породы трехмиллиардолетней давности. Это требует времени и терпения, исключительной точности и целого арсенала сложнейших приборов – и все ради нескольких молекул, извлекаемых из добытых образцов породы. Среди самых известных представителей этого искусства XXI в. можно назвать австралийского палеонтолога Роджера Саммонса, работающего в MIT на кафедре естествознания Земли и планет. Там он возглавляет Лабораторию Саммонса – чокнутую команду, состоящую из дюжины охотников за окаменелыми молекулами в древнейших породах нашей планеты.

Лет десять назад, работая в Австралийском национальном университете, Саммонс возглавил группу ученых, которые прославились тем, что исследовали любопытные осадочные породы в Пилбара-Кратоне на западе Австралии, горном массиве, сформировавшемся примерно 2,7 млрд лет назад. Там они получили доступ к уникальной скважине глубиной около километра, в которой обнаружился слой черного глинистого сланца, богатого углеродом, – именно в таких отложениях есть шанс обнаружить молекулярные фоссилии. Горные породы Пилбара вызывали особый интерес, поскольку они сохранились в неприкосновенности от воздействия тепловой энергии, грунтовых вод и каких-либо видов жизни на поверхности. Если когда-либо существовала порода, в которой могли сохраниться биомолекулы, они нашли именно ее.

Австралийские исследователи сосредоточили внимание на гопаноидах, превосходном виде твердых биомолекул, о которых говорится в главе 6. Гопаноиды играют важную роль в стабилизации защищающих клетку мембран и, поскольку они чрезвычайно редко встречаются вне живых клеток, являются наиболее надежными признаками живых молекул. В каждом гопаноиде есть характерный каркас из пяти связанных колец – четыре миниатюрных шестигранника (по шесть атомов углерода в каждом) и замыкающий пятиугольник (с пятью атомами углерода). Каждое такое кольцо имеет по два общих атома углерода с соседним кольцом, что вместе составляет двадцать один атом углерода на весь каркас.

Скрупулезные исследования Саммонса в австралийской лаборатории вызвали к жизни две выдающиеся статьи, опубликованные в августе 1999 г. Первая появилась в журнале Science (открывал список авторов аспирант Саммонса Джокен Брокс) и описывала обнаружение в древних породах Пилбара возрастом 2,7 млрд лет особого класса молекул, называемых стеранами, впоследствии признанных древнейшими молекулярными окаменелостями, побившими прежний рекорд на целый миллиард лет.

Обнаружение стеранов может пролить свет на древние экосистемы, поскольку разные породы используют разные типы стеранов с дополнительными атомами углерода, налипающими в различных местах вокруг колец. Брокс и его команда предположили, что стераны из Пилбара свидетельствуют о существовании в то время продвинутого вида клеток, называемых эукариотами: это клетки, имеющие ядро, которое содержит ДНК. Ко времени опубликования этой статьи древнейшая из известных ископаемых эукариот имела возраст один миллиард лет, в то время как примитивные микроорганизмы, существовавшие, как считалось, около 2 млрд лет назад, не имели ядра, так что это предположение поразило, если не сказать вызвало откровенное недоверие у научной общественности. Если это открытие верно, то из него следуют только два вывода. Либо эукариоты появились намного раньше, чем считалось до того (и соответственно эволюция жизни ускорилась), либо стераны возникли гораздо раньше эукариот. В любом случае наши взгляды на происхождение жизни подлежали пересмотру.

Вторая статья, опубликованная в журнале Nature (уже с Саммонсом в качестве главного автора), содержала не менее поразительное сообщение о том, что черные сланцы возрастом 2,5 млрд лет с горы Мак-Рей (всего лишь около тысячи метров высотой) содержат разновидность гопаноида – молекулы, состоящей из пяти колец с дополнительным атомом углерода, прилипшим сбоку первого кольца. Эти молекулы 2-метилгопаноида присущи только цианобактериям, главному производителю кислорода на планете. Саммонс пришел к выводу, что фотосинтез шел полным ходом на Земле уже 2,5 млрд лет назад. Такая хронология вполне совпадала с известным увеличением объема кислорода в то время, но само предположение о том, что происхождение фотосинтеза можно проследить по сохранившимся фрагментам молекул, открывало далеко идущие перспективы для палеонтологии.

Однако далеко не всех убедил Саммонс. Подобно открытым ранее Шопфом «древнейшим окаменелостям Земли», «гопаноиды Саммонса» встретили серьезное сопротивление как со стороны самого Джокена Брокса (относительно собственной докторской диссертации), так и со стороны всех других исследований, где речь идет о признаках биомолекул старше 2 млрд лет. Скептики утверждают, что юные гопаноиды распространены повсюду. Даже глубоко под поверхностью земли, в горных породах живут микроорганизмы, так что за 2 млрд лет накапливается неизбежная путаница. Несомненно, гопаноиды существуют, но кто может утверждать, когда и как они появились в этих слоях породы. Будем держаться в курсе событий: всегда интересно следить за научными дискуссиями, тем более что они, как правило, ведут к новым открытиям.

Песчаные тайники времени

Где еще могут вести поиск палеонтологи? Из всех ответов, накопленных за время исследования окаменелостей, имеющих отношение к истории фотосинтеза, исследовать бактериальные маты – самый очевидный, хотя это и наименее изученная область. В наше время они образуются по всему миру в мелких прибрежных океанских водах и вдоль берегов медленно текущих рек и потоков, где стебли водорослей, переплетаясь, образуют толстые, запутанные слои. Эти прочные, похожие на ткань маты обеспечивают водорослям доступ к влажной, освещенной солнцем среде обитания и в то же время защищают от неизбежного, разрушающего воздействия течений и волн. Несмотря на свое почти вездесущее присутствие, палеонтологи почти не проявляли интереса к ископаемым бактериальным матам до того момента, как сделала свои открытия Нора Ноффке.

Более десяти лет я имел возможность помогать Норе Ноффке, профессору геобиологии в Университете Олд Доминион (Норфолк, штат Виргиния), специалисту с мировым именем в области исследования древних бактериальных матов. Наделенная редкой наблюдательностью, уникальным видением перспективы и железной целеустремленностью, она избрала одну из самых малодоступных областей в мире для проведения полевых исследований. Устремляясь в отдаленные и опасные места Южной Африки, Западной Австралии, Намибии, знойного Ближнего Востока и ледяной Гренландии, она открыла такие палеонтологические чудеса, которые до этого никому и в голову не приходило искать. Нора собирала все новые и новые доказательства того, что бактериальные маты вырастали на самых древних песчаных берегах Земли.