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

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.

Свет

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).