Чтение онлайн

Так когда же возникла жизнь? Если вы настаиваете на том, что жизнь возникла рано, что она возникает часто, на любой подходящей для этого планете или на спутнике, тогда, возможно, вы согласитесь, что уже 4,4 млрд лет назад на Земле имелась устойчивая биосфера – т. е. жизнь образовалась за первые 150 млн лет существования Земли. Для этого были все условия: океаны и атмосфера, минералы и энергия. Столкновения с гигантскими астероидами и кометами могли представлять значительную угрозу гадейским формам жизни, пожалуй, за исключением тех выносливых клеток, которые приспособились к высоким температурам и давлениям в своих защищенных убежищах – горных породах под поверхностью океанского дна. Возможно, жизнь зарождалась не единожды, а заново возникала много раз, пока Земля не вошла в более спокойный постпубертатный возраст. Если все обстояло именно так, тогда окаменелости возрастом 3,5 млрд лет отражают экосистему, находившуюся в процессе создания по крайней мере в течение миллиарда лет.

Если же вы полагаете, что жизнь возникает с трудом и встречается весьма редко на просторах космоса, тогда вы, скорее всего, поддержите теорию, согласно которой жизнь зародилась на Земле примерно 3,5 млрд лет назад. Может, жизнь вообще настолько маловероятна, что для ее возникновения на Земле потребовался целый миллиард лет минерало-молекулярного взаимодействия на территории сотни миллионов кубических километров океанической коры. Возможно, эти редкие, драгоценные окаменелости, сохранившиеся со времен архейского эона, и знаменуют собой истинное начало биосферы.

Когда бы ни возникла первая жизнь, 4,4 млрд или позднее 3,8 млрд лет назад, факт остается фактом: она мало изменила древний облик планеты. Те первые микроорганизмы просто усвоили химические уловки, уже знакомые Земле. С первых дней существования нашей планеты на ее твердой поверхности или в приповерхностных областях происходят химические реакции. Суть их сводится к распределению электронов: атомы в мантии в среднем располагают гораздо большим количеством электронов, способных вступать в химические реакции, чем атомы в земной коре. Мантия более «плотная», тогда как кора более «окисленная», выражаясь химическим жаргоном. Когда плотные химические вещества встречаются с окисленными – например, когда плотная магма и газы из мантии вырываются на окисленную поверхность во время извержения вулкана, они часто испытывают химические реакции с высвобождением энергии. Во время этого процесса электроны первых переходят ко вторым.

Ржавчина, возникающая от взаимодействия железа с кислородом, – типичный пример такой реакции. Твердое железо переполнено электронами – там столько электронов, что часть из них свободно проходит сквозь металл и проводит электричество. Таким образом, железо является донором электронов. Газообразный кислород, напротив, испытывает такую недостачу электронов, что два атома кислорода должны соединяться, чтобы образовать молекулу О2, в которой атомы делятся своим скудным запасом электронов, словно пайком на необитаемом острове. Кислород является идеальным акцептором электронов. Когда металлическое железо встречает молекулы кислорода, происходит стремительный обмен электронами. В результате этого обмена возникает новое химическое соединение, окись железа, сопровождаемое небольшим выбросом энергии.

Помимо железа электронами насыщены и другие металлы: никель, марганец, медь – и они тоже подвергаются окислению. Окисляются и многие из простейших углеродистых молекул, возникших в результате молекулярного синтеза в добиологических процессах, включая метан (природный газ), пропан и бутан. Газообразный кислород редко встречался в первичной атмосфере Земли, но его активно заменяли другие охотники за электронами, включая сульфаты (SO4), нитраты (NO3), карбонаты (CO3) и фосфаты (PO4).

До возникновения жизни окислительно-восстановительные реакции происходили сравнительно неторопливо. Но первые микроорганизмы быстро научились перемещать электроны ускоренными темпами. Живые клетки становились посредниками в передаче электронов во многих местах: в прибрежных водах, на мелководье, в осадочных породах на дне океанов. Колонии микроорганизмов обеспечивали себе пропитание за счет ускорения темпов реакций, используя высвобождавшуюся при этом энергию для роста и размножения. Окись железа появилась на Земле с самого начала, но возникшие позднее микроорганизмы ускорили ее образование. Играя свою роль в процессах обмена электронами, жизнь стала понемногу изменять структуру земной поверхности. Микроорганизмы использовали обильный источник энергии, доступной в виде железа, растворенного в гадейском и архейском океанах; они окисляли железо, образуя ржаво-красный гематит – эта химическая реакция высвобождает достаточно энергии, чтобы обеспечить целую экосистему. Массивы осадочных пород железа, обнаруженные в Австралии, Южной Африке и других районах, можно считать остатками пиршества микроорганизмов, длившегося десятки миллионов лет. Вот так и началась удивительная совместная эволюция геосферы и биосферы.

Эволюция путем естественного отбора продолжала развивать все эти процессы. Разновидности микроорганизмов, научившиеся использовать железо в качестве источника питания, приспосабливаться к экстремальным условиям или пользоваться окислительно-восстановительными реакциями, получали явное преимущество в борьбе за выживание. Мутирующие популяции микроорганизмов гораздо эффективнее, чем неживая природа, изобретали новые катализаторы, способствующие выработке энергии. В результате повсюду появлялись небольшие холмики известняка, небольшие месторождения окислов железа, а также постепенное увеличение количества приповерхностного углерода, серы, азота и фосфора. И все же эти ранние формы жизни в основном имитировали химические процессы, которые уже происходили (хотя и гораздо медленнее) до них в неживой природе.

Большинство исследователей происхождения жизни допускают, что ранние формы жизни существовали только за счет химической энергии горных пород, являющейся, безусловно, одним из обильных источников энергии. Однако в случае существования только за счет этой энергии пространство, где могла бы процветать жизнь, было бы существенно ограничено. В какой-то момент некоторые виды микроорганизмов изменили своей роли посредников в химических реакциях, столь важных для их среды обитания. Они научились усваивать солнечное излучение, которое оказалось изобильным и дешевым источником энергии для любого обитателя земной поверхности в любой точке планеты.

Главная функция фотосинтеза заключается в использовании солнечного света для производства биомолекул из такого распространенного сырья, как углекислый газ, азот и вода. Что касается подходящего химического строительного материала, все важнейшие строительные блоки жизни – аминокислоты, сахарозы, липиды, компоненты ДНК и РНК – могут создаваться из атмосферных газов и солнечного излучения. В отличие от современных зеленых водорослей первые микроорганизмы, владеющие фотосинтезом, не производили кислород. Современные аналоги тех примитивных существ способны образовывать буровато-красноватую пену в застойных водоемах. Некоторые биологи даже предполагают, что громадные дрейфующие плоты занятых фотосинтезом микроорганизмов искажали голубой цвет архейского океана, покрывая его некрасивыми буро-багровыми пятнами.

Как бы мы могли это узнать? Такие микроорганизмы не имеют твердых компонентов, которые способны были бы сохраниться в виде окаменелостей; дрейфующие «слоеные пироги» водорослей не оставляют явных следов в осадочных толщах. И все же можно найти свидетельства существования древнейших светолюбивых микроорганизмов. Клетки, способные к фотосинтезу (сине-зеленые водоросли), строятся на основе гопаноидов, особых молекул, состоящих из пяти смыкающихся углеродных звеньев (по конфигурации напоминающих столь печально известные в спорте стероиды). После того как микроорганизмы погибают и разлагаются, их многокольцевые гопаноиды могут сохраняться миллиарды лет в мелкозернистых океанических осадочных породах. Чтобы исследовать остатки этих гопаноидов, отделив их от массы основной породы, требуется тщательная химическая обработка образцов. Предварительное описание должно включать всякие мудреные предположения о возможных источниках примесей, древних и современных. Палеонтологи встречают всякое сообщение о молекулах, сохранившихся за многие миллиарды лет, с известной настороженностью, если не сказать с открытым скептицизмом. Как бы то ни было, химические следы существуют – и, может быть, это единственное окно, позволяющее взглянуть на древнюю разреженную биосферу (подробнее об этом см. главу 7).

К миллиардному дню рождения нашей планеты жизнь обеспечила себе прочный, хотя и не вполне объяснимый, плацдарм на ее поверхности. В течение следующего миллиарда лет микроскопические формы жизни слегка меняли приповерхностную среду – вначале за счет ускорения окислительно-восстановительных реакций, а затем с помощью фотосинтеза. Насколько можно судить, даже в возрасте 2 млрд лет Земля не имела сколь-нибудь существенных, вызванных наличием жизни минералогических изменений на поверхности или вблизи нее. Живые клетки производили больше окислов железа, больше известняка, больше сульфатов и фосфатов, чем неживая природа. Они формировали слоистые залежи железных руд на дне океана и сооружали защитные каменистые холмы в прибрежных водах – все эти явления задолго до основного развития жизни существовали на Земле, а также на других планетах и спутниках Солнечной системы.