Жизнь в архее и путь к кислороду
Около 2,5 млрд лет назад Земля подверглась огромным изменениям, настолько значительным, что это вписало новую эпоху в геохронологическую временную шкалу. Самым древним периодом является катархей, который начался с формированием самой Земли (4,567 млрд лет назад) и закончился с появлением первых окаменелостей около 4,2 млрд лет назад. Следом пришел архейский эон, жестокое время в истории планеты, который начался в период «тяжелой бомбардировки» и закончился приблизительно 2,5 млрд лет назад, с приходом протерозойской эры. Переход от архея к протерозою в общем совпадает с увеличением количества кислорода в атмосфере, а кислород этот произвели организмы, способные к фотосинтезу.
Фотосинтез — процесс, который жизнь использует для преобразования инертного углекислого газа в живую клеточную материю, таким образом заменяя «неорганический» углерод на то, что называется «органическим» углеродом. Есть доказательства того, что в период между 4,2 и 2,5 млрд лет назад в архее уже существовал некий фотосинтезирующий организм. Также очевидно, что развитие фотосинтеза началось после возникновения первичных жизненных форм. Первичные организмы, вероятно, использовали водород в соединениях, в которых он химически взаимодействовал с атомами серы, и тем самым производился важный с энергетической точки зрения (и для всей истории развития жизни) сероводород[79]. Водород очень энергоемкий, потому-то люди и хотят научиться использовать его везде где только можно: от автомобилей до электростанций. Нам также известно, что архейские организмы, по-видимому, использовали те же основные необходимые элементы, что и жизнь сегодня: углерод, серу, кислород, водород и азот.
Мы сегодня располагаем некоторыми сведениями о том, каковы были океаны и атмосфера 3,5 млрд лет назад. Скорее всего, концентрация углекислого газа значительно превышала сегодняшний уровень. Атмосфера была насыщена водяными испарениями, а также метаном. Без тех архейских парниковых газов, водяных паров, метана и углекислоты на Земле вряд ли существовала бы жидкая вода. Было очень жарко, но во времена, когда Солнце являлось гораздо менее активным, планета, скорее, согревалась сама — благодаря парниковым газам, без которых атмосфера не смогла бы удержать тепло. Но это была атмосфера без кислорода.
Многое из того, что мы знаем о том, весьма продолжительном, архейском периоде, приходит благодаря изучению современных аналогичных природных условий. Среды с низким содержанием кислорода довольно редки в наших теперешних океанах, но намного чаще встречаются в современных небольших озерах. На самом деле, многие озера сегодня сильно расслоены и содержат тонкий кислородный слой (образованный взаимодействием с атмосферой), под которым лежат слои, в которых кислорода вовсе нет. Изучение микрожизни в таких слоях позволяет узнать, что представляли собой сообщества микроорганизмов в далеком прошлом. В современных озерах, как, видимо, и в древних архейских морях, одними из наиболее значимых для углеродного круговорота являются организмы, которые связаны с химией метана. Как упоминалось ранее, метан помогает удерживать тепло, отраженное от земной поверхности и стремящееся улетучиться обратно в космос[80]. Некоторые бактерии могут расщеплять метан и использовать его в качестве пищи. Таким образом его употребляли многие ранние формы жизни, а это значит, что жизнь, едва сформировавшись, сразу переключилась на другой вид потребления энергии. Прямо как автомобили в своем развитии: сначала им нужен был пар, потом дизельное топливо, потом бензин (и дизельное топливо, и бензин — углеродные соединения, несущие энергию, как и метан), а вскоре и водородное топливо. Только человечество обращается к водородному топливу в последнюю очередь, тогда как жизнь начинала именно с него.
Много информации о раннем этапе истории развития жизни на планете дают нам осадочные породы. Например, одной из особенностей архейских осадочных отложений является частое проявление в них яркоокрашенных красных слоев. Они называются полосчатыми железистыми формациями, или ПЖФ. Эти интересные осадочные породы не образовывались в земной коре в более или менее значительных объемах на протяжении последних 1,85 млрд лет, за исключением одного-двух периодов «Земли-снежка» в конце докембрия, о чем мы расскажем подробнее в следующей главе. У железистых формаций есть загадка, которую уже долго не могут разрешить: чтобы так широко распространиться тонким слоем, железу надо быть растворенным в воде, а это означает, что оно должно было иметь восстановленную форму, которая называется закись железа, она придает земле зеленоватый цвет. С другой стороны, чтобы высвободиться, железу необходимо иметь окисленную форму красного цвета, быть оксидным железом, которое просто оседает в воде в виде частиц, а не растворяется как сахар. Проблема в кислороде: закись железа постоянно реагирует со свободной молекулой O2 и создает красную окисленную форму. Любое железо или железный минерал красного цвета показывает, что железо подвергалось этому химическому преобразованию, которое мы по-простому называем ржавчиной и которая почти всегда требует присутствия молекулы O2. Как же получалось, что кислородный уровень океанической воды, с одной стороны, был довольно низок, что приводило к существованию железа в растворяемой форме, а с другой — достаточно высоким, чтобы создавать ржавчину? Этот вопрос уже очень давно ставит ученых в тупик.
Более 50 лет назад Престон Клауд, один из известнейших исследователей докембрийской палеобиологии из Университета Калифорнии, выдвинул гипотезу, что кислород, необходимый для окисления растворенного железа, особенно в океанах, происходил от деятельности фотосинтезирующих простейших, известных как синезеленые водоросли, цианобактерии (Cyanobacteria)[81]. Это единственный на планете организм, который сам научился производить дающий жизнь фотосинтез — процесс расщепления молекулы воды и высвобождения атома кислорода, если описывать буквально. Некоторые из его потомков «порабощены» теперь другими организмами и служат нам всем как зеленые светоулавливающие органеллы в растениях и других водорослях. Сегодня каждое растение на Земле имеет крошечные «капсулы», эволюционировавшие из тех первых синезеленых водорослей, но теперь они — рабы «эндосимбиоза», выполняющие прихоти многоклеточных растений. Престон Клауд представил себе плавающий «кислородный оазис» таких первых крошечных фотосинтезаторов-цианобактерий, каждая из которых производила крошечное количество кислорода, и за сотни миллионов лет они кардинально изменили природу не только жизни на Земле, но и химию океанов, атмосферы и даже твердого покрова нашей планеты. С каждой новой порцией кислорода, выброшенного в архейский океан, маленькие частицы ржавчины оседали на дне, медленно, но неуклонно накапливаясь в полосчатые железистые формации.
