Новая история происхождения жизни на Земле
Шрифт:
Раньше Венера, скорее всего, находилась в обитаемом поясе Солнечной системы [27] , хотя теперь температура ее поверхности равна около +500 °C из-за парникового эффекта, который, вероятно, уничтожил все живое на поверхности (некоторые думают, что в атмосфере Венеры возможно существование живых микробов, хотя мы считаем, что вряд ли). Геологические пласты Марса однозначно свидетельствуют о наличии в какой-то из периодов его истории жидкой воды, даже рек и ручьев, которые могли обкатывать камни и образовывать веерообразные дельты [28] . Сегодня вода на Марсе исчезла либо существует в виде льда или редкого пара в атмосфере, почти равной вакууму. Предположительно, меньшая масса Марса не позволила развиться плитотектоническим процессам, необходимым для перемещения планетарной коры, это ослабило температуру в его ядре, состоящем из металлов, что привело к невозможности сформировать магнитное поле, способное удерживать атмосферу, и из-за большей удаленности от Солнца. Красная планета легко превратилась в постоянную «планету-снежок». Если на Марсе и существовала когда-то жизнь, то теперь она сохранилась только под поверхностью, поддерживаемая слабой геохимической активностью радиоактивного распада.
27
A. T. Basilevsky and J. W. Head, «The Surface of Venus,» Reports on Progress in Physics 66, no. 10 (2003): 1699 1734; J. F. Kasting, «Runaway and Moist Greenhouse Atmospheres and the Evolution of Earth and Venus,» Icarus 74, no 3 (1985): 472–94.
28
D. H. Grinspoon and M. A. Bullock, «Searching for Evidence of Past Oceans on Venus,» Bulletin of the American Astronomical Society 39 (2007): 540.
Около 4,6 млрд лет назад [29] Земля образовалась слиянием нескольких планетных «кирпичиков», или малых тел, состоящих из твердых пород и застывших газов, конденсированных в плоскости эклиптики. 4,567 млрд лет назад (и датировать оказалось проще, и запомнить легче) в формирующуюся Землю, по всей вероятности, врезался небесный объект с Марс величиной, что привело к смешению никелево-железных ядер сплавленных в Протоземлю планет. Тогда же образовалась Луна — из кремниевых паров, возникших сразу после столкновения. Следующие несколько сотен миллионов лет планету безжалостно бомбардировали многочисленные метеориты.
29
Общие сведения о возрасте Земли можно почерпнуть из источника: G. B. Daliymple, The Age of the Earth (Redwood City’: Stanford University Press, 1994). Более детально данный вопрос рассматривается им же в «The Age of the Earth in the Twentieth Century: A Problem (Mostly) Solved,» Special Publications, Geological Society of London 190 (2001): 205–21.
Температуры, подходящие скорее для кипящей лавы, и энергетические выбросы от постоянной метеоритной бомбежки, естественно, создали невыносимые для существования жизни условия на поверхности Земли [30] . Энергия, возникающая от бесконечного потока астероидов и метеоритов, около 4,4 млрд лет назад порождала температуру, способную плавить скалы и держать их в таком расплавленном состоянии. Не было никаких шансов, чтобы на поверхности сохранялась жидкая вода.
Новая планета стала быстро изменяться после основного слияния исходных тел. Около 4,56 млрд лет назад у Земли начали образовываться различные слои. Внутри из железа и никеля сформировалось ядро, которое окружила мантия — менее плотный слой. Над мантией возник тонкий, быстро затвердевающий и еще менее плотный слой земной коры, состоящий из твердых горных пород, а над ним клубилась атмосфера — пар и углекислый газ. Несмотря на то что поверхность оставалась безводной, большие запасы воды оказались заперты внутри планеты и вырывались наружу в виде пара. Поскольку более легкие элементы поднимались наверх, а более тяжелые опускались, вода и другие летучие соединения были извергнуты из недр Земли и заполнили атмосферу [31] .
30
Удары космических тел о поверхность Земли могли сильно повлиять на раннюю историю планеты и развитие живых организмов — именно этой проблеме Кевин Мейер и Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института впервые адресовали короткое письмо в редакцию Nature в 1988 г. («Impact Frustration of the Origin of Life,» Nature 331, no. 6157 (1988): 612–14.) Многие поддержали данный вопрос, включая Кевина Занли и Норма Слипа: K. Zahnle et al., «Cratering Rates in the Outer Solar System,» Icarus 163 (2003): 263–89; F. Tera et al., «Isotopic Evidence for a Terminal Lunar Cataclysm,» Earth and Planetary Science Letters 22, no. 1 (1974): 1–21. Проблему источников подобных ударов в недавнем времени обсуждали вновь. При этом учитывалось и возможное смещение внешних планет через несколько миллионов лет после столкновений (время, датируемое прохождением Солнца его главной последовательности): W. F. Bottke et al., «An Archaean Heavy Bombardment from a Destabilized Extension of the Asteroid Belt,» Nature 485 (2012): 78–81; G. Ryder et al., «Heavy Bombardment on the Earth at -3.85 Ga: The Search for Petrographic and Geochemical Evidence,» in Origin of the Earth and Moon, R. M. Canup and K. L. Tighter, eds. (Tucson: University of Arizona Press, 2000): 475–92.
31
О происхождении земной атмосферы было написано много книг, www.amnh.org-leam-pd-earth-pdf-evoliition_earth_atmosphere.pdf — хороший веб-сайт, посвященный роли живых организмов в этом процессе. Статья на тему: K. Zahnle et al., «Earths Earliest Atmospheres,» Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2, no. 10 (2010).
Молодая Солнечная система насчитывала несколько планет, а также вокруг Солнца вращался космический мусор в большом количестве, который не участвовал в планетообразовании. Но не все орбиты этих небесных тел были устойчивыми эллипсами, как сегодня. Многие были очень искривлены, многие проходили между вращающимися планетами и Солнцем. Солнечную систему, таким образом, бороздили многочисленные объекты, и длилось это около 4,2–3,8 млрд лет назад. Если принять во внимание широко известную гипотезу о том, что эти космические «путешественники» содержали в себе воду, целые океаны воды, то становится понятно, какую чрезвычайно важную роль сыграли в последующей истории жизни на планете эти кометы и астероиды, непрерывным дождем падавшие на Землю, некоторые совсем крошечные, а некоторые — настоящие монстры до 500 км в диаметре. Кометы приносили с собой не только воду, но и другие важные для жизни элементы, включая соединения углерода. Земле не нужно было далеко ходить за необходимыми для жизни продуктами — она получила их доставкой на дом.
Но за все приходится платить, и жизни тоже пришлось. Ученые из NASA составили математические модели для таких «отчислений». Столкновение с Землей небесного тела в 500 км в диаметре привело почти к невообразимым последствиям. Огромные участки твердой земной поверхности превратились в пар, образовав облако страшно горячего — несколько тысяч градусов — «естественного» газа, испарений. Именно эти испарения в атмосфере привели к тому, что весь океан превратился в пар, улетев вверх и оставив дно, покрытое солью. В конце концов произошло охлаждение, но новый океан обрушился дождем на Землю не раньше чем по крайней мере через несколько тысяч лет. Такие большие астероиды и кометы размером со штат Техас могли выпарить океан глубиной три километра и уничтожить все живое на поверхности Земли [32] .
32
Наши студенты часто улыбались, когда мы заговаривали об испарении океанов из-за «астероидов размером с Техас». В те времена еще Джордж Буш-младший был президентом. С тех пор, однако, наша концепция приобрела немного другой, научный оттенок. Понятным языком об этом написано здесь: www.breadandbutterscience.com/CATIS.pdf.
Изменение во времени концентрации углекислого газа (в миллиардах лет) с приблизительными расчетами на будущее. Ноль обозначает настоящий момент времени.
Около 3,8 млрд лет назад самые ужасные метеоритные атаки остались позади, и все же в то время различные астрономические бедствия обрушивались на планету значительно чаще, чем в более близкие к нам периоды истории. Долгота дня тоже была не такая, как сегодня — не более 10 часов, потому что Земля тогда вращалась быстрее. Скорее всего, Солнце было не таким ярким — возможно, красным и не таким горячим, поскольку не только горело с меньшей энергией, но и его лучам приходилось пробиваться сквозь ядовитые, мутные клубы паров углекислого газа, сероводорода и метана, а кислорода ни в атмосфере, ни в океане не было. Небо, по всей вероятности, было оранжевым и красно-кирпичным, а моря, которые предположительно покрывали всю земную поверхность, были коричневой грязью. Тем не менее это был полный комплект газов, жидкой воды и твердой земной коры со множеством минералов, пород и сред, включая и те, которые необходимы для развития жизни в два этапа: добыть много «запчастей» и свалить их в одном месте для дальнейшей сборки.
Системы, необходимые для существования жизни, и их история
Одним из исключительно важных факторов возникновения жизни на Земле стало то, что атмосферные газы достаточно «поредели», что позволило сформироваться «первичному бульону» — добиологическим молекулам, строительному материалу живых организмов. (Здесь стоит вспомнить об окислительно-восстановительной реакции: возникают либо потери от окисления, либо добавление электронов при восстановлении.) Электроны — как деньги, их можно обменять на энергию, при окислении электроны теряются с приобретением энергии, при восстановлении приобретение энергии — это как если бы деньги попали в банк. Например, нефть и уголь «восстановлены», то есть в них накоплено много энергии, которую можно использовать-высвободить, если воздействовать на них окислением, что и происходит, когда мы их сжигаем и получаем энергию.
Состав древней атмосферы на Земле — противоречивая и бурно обсуждаемая область. Если количество азота, наверное, совпадает с сегодняшним, то кислорода либо не было, либо он присутствовал в очень малом объеме, и на это многое указывает. Углекислого газа, однако, было намного больше, чем теперь, и это создавало настоящую баню посредством парникового эффекта с углекислотой, в 10 000 раз превышающей сегодняшний уровень [33] .
Наша сегодняшняя атмосфера на 78 % состоит из азота, на 21 % — из кислорода и менее чем на 1 % — из углекислого газа и метана, и этот состав относительно нов. Становится все более очевидным, что наша атмосфера может меняться весьма стремительно, особенно этот обманчиво небольшой 1 %, включающий два газа, ответственных за парниковый эффект (и еще водяные пары) — углекислый газ и метан, которые могут (и это важно) значительно превысить свои нынешние объемы.
33
Концентрация углекислого газа в составе ранней атмосферы Земли — вопрос довольно трудный. На данный момент не существует каких-то прямых методов определения этих концентраций. Источник: Walker, «Carbon Dioxide on the Early Earth,» Origins of Life and Evolution of the Biosphere 16, no. 2 (1985): 117–27. Что касается фанерозоя (время «видимой жизни»), на эту тему есть два основных труда: D. H. Rothman, «Atmospheric Carbon Dioxide Levels for the Last 500 Million Years,» Proceedings of the National Academy of Sciences 99, no. 7 (2001): 4167–71, и D. Royer et al., «CO, as a Primary Driver of Phanerozoic Climate,» GSA Today 14, no. 3 (2004): 4–15. Другие необъясненные понятия, упомянутые в главе, хорошо описаны в следующем источнике: L. Kump et al., The Earth System, 3rd ed. (Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2009). В этой потрясающей книге поясняется так называемая «наука о Земле». В ней отражены рассуждения об углеродных циклах, о которых мы упоминали, а также приведены обсуждения других процессов, ведущих к образованию жизни.
Круговорот веществ и мировые температуры
Человеческое тело требует множества сложных процессов, чтобы поддерживать то загадочное состояние, которое мы называем жизнью. Многие из этих процессов включают в себя перемещение углерода. Аналогично круговорот углерода, кислорода и серы есть ключевое условие для поддержания подходящей для жизни среды на Земле. Углерод, конечно же, самый важный.
Углерод претерпевает активное преобразование твердого, жидкого и газообразного состояния. Перемещение этого элемента между океаном, атмосферой и жизненными формами называется «круговорот углерода», и именно это движение углерода и производит самое главное воздействие на изменение планетарной температуры за счет изменений в концентрации парниковых газов.
То, что мы называем «круговоротом углерода», на самом деле состоит из двух пересекающихся процессов: краткого цикла и долгого цикла [34] . Краткий цикл регулируется растениями. Углекислота включена в фотосинтез, и часть углерода остается в живых тканях растений — результат восстановительной реакции. Таким образом накапливается энергия, которая ждет своего высвобождения. Когда растение погибает или опадают листья, этот углерод переходит в почву и может быть преобразован в другие углеродные соединения в телах почвенных микроорганизмов, других растений или животных, и тогда происходит окисление восстановленного углерода с высвобождением энергии, которой пользуется организм, поглощающий (окисляющий) этот углерод. В то же время организмы также преобразуют другие молекулы углерода в восстановленное состояние, снова запасая энергию. Проходя по пищевой цепочке животных, этот самый углерод в восстановленном состоянии может быть окислен, и его выдыхают в виде углекислого газа — цикл возобновляется. Впрочем, случается, что заключенный в ткани растения или животного углерод — наполненный энергией, восстановленный — сжигают, и он, таким образом, не поглощается другим организмом и не попадает обратно в мировой запас углерода. Такой углерод больше не входит в краткий цикл круговорота.
34
Питер Уорд посвятил этой теме отдельную книгу (P. Ward, Out of Thin Air. Washington, D.C.: Joseph Henry Press, 2006). Многое взято из следующей статьи: R. A. Berner, «Models for Carbon and Sulfur Cycles and Atmospheric Oxygen: Application to Paleozoic Geologic History,» American Journal of Science 287, no. 3 (1987): 177–90. Также для понимания вопроса важны следующие источники: L. R. Kump, «Terrestrial Feedback in Atmospheric Oxygen Regulation by Fire and Phosphorus,» Nature 335 (1988): 152–54; L. R. Kump, «Alternative Modeling Approaches to the Geochemical Cycles of Carbon, Sulfur, and Strontium Isotopes,» American Journal of Science 289 (1989): 390–410; L. R. Kump, «Chemical Stability of the Atmosphere and Ocean,» Global and Planetary Change 75, no. 1–2 (1989): 123–36; L. R. Kump and R. M. Garrels, «Modeling Atmospheric O2 in the Global Sedimentary Redox Cycle,» American Journal of Science 286 (1986): 336–70.
Долгий цикл углеродного круговорота предполагает совершенно другие типы преобразований. Основное отличие в том, что долгий цикл обеспечивает перемещение углерода из горных пород в океан или атмосферу и обратно. Временные периоды этих перемещений в основном измеряются миллионами лет. Перемещения углерода из твердых пород и обратно могут привести к куда более серьезным изменениям в земной атмосфере, чем в кратком цикле, поскольку в породах содержится во много раз больше углерода, чем в океане, атмосфере и биосфере вместе взятых. Это может показаться странным, учитывая, что сам по себе объем одной только живой материи огромен. Однако Боб Бернер из Йельского университета подсчитал, что если все растения на нашей плане вдруг одновременно сгорят, то весь углерод, попавший из них в атмосферу, увеличит содержание углекислого газа за счет краткого цикла лишь на 25 %. Для сравнения: долгие циклы в прошлые периоды истории Земли приводили к изменениям в 1000 % — как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.