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

Живые клетки оказались весьма чувствительными к экстремальным изменениям в масштабах планеты; последние 3,5 млрд лет биосфера испытала сильное воздействие меняющихся условий геосферы. Земля колебалась между жарой и холодом, и это способствовало усиленному размыванию и выветриванию берегов, что, в свою очередь, снабжало минеральным питанием прибрежные экосистемы. Одним из жизненно важных минералов, необходимых для фотосинтеза, был марганец. Так же в изобилии были молибден (необходимый для переработки азота) и железо (используемое для разнообразных обменных процессов). Но из всех химических элементов в неопротерозойских морях самым важным был фосфор. Он необходим для всех видов жизни. Фосфор помогает формировать основу генетических молекул ДНК и РНК, укрепляет клеточные мембраны и играет важнейшую роль в накоплении и передаче химической энергии от клетки к клетке.

Достоинства фосфора восхищают моего коллегу Доминика Папино, одно время бывшего научным сотрудником Геофизической лаборатории. Папино происходит из Французской Канады, что явствует из его мягкого акцента; о его увлеченности древнейшими месторождениями Земли красноречиво говорит его кабинет в Бостонском колледже, где почти все пространство занято разнообразными образцами пород. Он побывал в экспедициях в самых отдаленных уголках планеты, о чем свидетельствуют шлифованные куски строматолитов и образцы железистых кварцитов.

Папино обратил внимание на то, что в некоторых экосистемах рост микроорганизмов напрямую связан с доступным количеством фосфора. Он реконструировал картину шельфовых зон неопротерозойских морей, куда в небывалых количествах поступал этот важный для жизнедеятельности минерал. Некоторые из самых крупных отложений фосфорита – осадков, образующихся в результате отложения богатых фосфором клеток, погибавших и опустившихся на дно, – сосредоточены в интервалах времени, совпадающих с ледниково-парниковыми циклами. Папино объехал чуть ли не всю планету в поисках этих древнейших слоев фосфоритов, был в северной Канаде, Финляндии, Африке и Индии, исследуя их геологические и химические особенности.

Обогащенные фосфором, цветущие водоросли накачивали атмосферу кислородом, доведя его содержание до 15 %, что вполне пригодно для дыхания. Парадокс заключается в том, что гниющие водоросли, опускаясь на дно, активно вступали в реакцию с растворенным кислородом, превращая океанские глубины в мертвые бескислородные зоны. Таким образом, активное возрождение к жизни покрытой льдом Земли вело к расслоению океана на богатые кислородом поверхностные слои и бескислородные глубины. Доминик Папино усматривает параллели с современными прибрежными экосистемами, где мощные потоки фосфатов от стока удобрений точно так же стимулируют цветение водорослей в прибрежных зонах и образование бескислородных слоев на глубине.

Это возвращает нас к одному из главных принципов минеральной эволюции: совместной эволюции геосферы и биосферы. Минералы изменяют жизнь, жизнь изменяет минералы. Сорок лет назад, когда я изучал на старших курсах науку о Земле, биология и геология представлялись чуждыми друг другу. Грандиозный цикл образования горных пород рассматривался в абсолютном отрыве от циклов развития жизни. Когда я спрашивал своего научного руководителя, не следует ли мне включить курс биологии в число факультативных программ, он посоветовал вместо этого заняться квантовой механикой. «Биология вам никогда не пригодится», – заверил он меня.

Совет сомнительный, если учесть, что на каждой ступени эволюции Земли, от зарождения жизни и далее, органический мир воздействовал на геологию, а геология воздействовала на органику. В 2006 г. геохимик Мартин Кеннеди из Калифорнийского университета в Риверсайде опубликовал с четырьмя соавторами статью, где они рассмотрели абсолютно новый пример такой взаимозависимости, хотя и в теоретическом ключе. Их статья вышла в номере журнала Science (10 марта 2006 г.) под названием «Появление фабрики глинистых минералов». Согласно их тезисам, увеличение содержания кислорода в атмосфере от нескольких процентов до современного уровня произошло под воздействием положительной обратной связи между микроорганизмами и глинистыми минералами.

Глина состоит главным образом из мельчайших частиц минералов, которые, пропитываясь водой, образуют густую, вязкую массу. Если вам доводилось застрять ногой или колесами машины в сырой глине, вряд ли вы это забудете. Глинистые минералы образуются преимущественно за счет выветривания, особенно сопровождающегося химическими изменениями в условиях сырой, кислотной среды позднего неопротерозоя. Кеннеди и его соавторы предположили, что стремительное послеледниковое выветривание континентальной коры способствовало образованию гораздо большего количества глинистых минералов, чем в доледниковый период. К тому же имеются свидетельства того, что колонии микроорганизмов активно развивались на побережье именно в это время, именно микроорганизмы весьма эффективно превращают твердый камень в мягкую глину.

Одним из самых поразительных свойств глинистых минералов является их способность связывать органические биомолекулы. Интенсивное образование глинистых минералов изолировало богатую углеродом биомассу, и по мере того как их смывала морская вода, они (глинистые минералы) запечатывали этот углерод в мощные толщи тонкозернистого осадка. По мнению Кеннеди, захоронение углерода вело к росту кислорода в атмосфере, что, в свою очередь, ускоряло процесс образования глинистых минералов на суше, и еще большему захвату углерода. Таким образом, «производство глинистых минералов» могло непосредственно способствовать увеличению содержания кислорода в атмосфере и эволюции жизни на планете.

Появление животных

Расцвет водорослей, приводящий к парниковому эффекту, поддерживаемый фосфором и другими питательными веществами, несомненно, сопровождался резким притоком кислорода в атмосферу. Образование глинистых минералов еще больше усиливало этот эффект. В результате примерно 650 млн лет назад содержание кислорода в атмосфере почти достигло современного уровня. Высокая концентрация кислорода, в свою очередь, повлекла за собой возникновение сложных, многоклеточных форм жизни, поскольку лишь при таком уровне кислорода организмы могут вести такой активный, энергоемкий образ жизни, как это делают медузы и черви. Итак, древнейшие из известных многоклеточных организмов появились, если судить по известным образцам окаменелостей, около 630 млн лет назад, вскоре после второго глобального оледенения.

Чтобы составить более полное представление о возникновении животного мира в эпоху неопротерозоя, надо вернуться примерно на миллиард лет назад, во времена, предшествующие «скучному» миллиарду. Немногочисленные ископаемые находки указывают на то, что около 2 млрд лет назад на Земле появилась совершенно новая разновидность одноклеточных организмов. До этого все клетки существовали сами по себе, даже когда зависели друг от друга. Но, согласно революционной идее биолога Линн Маргулис из Массачусетского университета в Амхерсте, около 2 млрд лет назад одна клетка целиком поглотила другую. Однако вместо того, чтобы переварить поглощенный микроорганизм, более крупная клетка вобрала в себя малую, создав некий симбиоз, в результате которого развитие жизни на Земле необратимо изменилось.

Маргулис – человек весьма энергичный и многосторонний. Ее научная деятельность посвящена исследованию путей взаимодействия и совместной эволюции групп организмов; она рассматривает симбиотические связи и совместное использование биологических свойств как всеобщий принцип развития жизни. Ее идеи встретили активное сопротивление, отчасти потому, что отклонялись от общепринятой теории эволюции Дарвина, согласно которой эволюция осуществляется главным образом через мутацию и отбор. Несмотря на все разногласия, теория эндосимбиогенеза, сформулированная Маргулис, нашла признание и теперь разделяется почти всеми. Современные растения, животные и грибы состоят из клеток, включающих множество внутренних структур – митохондрий, которые действуют как микроскопические электростанции, преобразующие солнечную энергию в организмах, клеточных ядер, поддерживающих генетические молекулы ДНК. Эти и другие «органеллы» в объединенных сложных клетках имеют собственные мембраны и даже в некоторых случаях собственные молекулы ДНК. По мнению Маргулис, каждая органелла развилась из предыдущей, простейшей клетки, которая была поглощена более крупными клетками и, став их составной частью, выполняла свои биохимические функции. Как уже говорилось, это изменение началось около 2 млрд лет назад и подготовило почву для развития новых, более сложных многоклеточных форм жизни.