Удивительное зарождение Земли. Путешествие по скрытым чудесам, которые дали жизнь нашей планете

Атомы кислорода химически активны и охотно образуют связи с другими элементами. Часть кислорода, выделяемого ранними цианобактериями, вступала в реакцию с вулканическими газами, а также с железом, содержащимся в морской воде и горных породах, образуя новые соединения и минералы. Однако часть их выделений стала накапливаться в виде свободного кислорода в непостоянных и очень ограниченных по местоположению оазисах первобытного океана и воздуха.

Несмотря на свою живучесть, цианобактерии не сразу стали процветать. Поначалу их численность была значительно меньше, чем других видов микробов, и, скорее всего, они обитали только в мелководных, освещенных солнцем и богатых питательными веществами местах, где им удалось превзойти по численности своих предшественников. Со временем, однако, они стали распространяться. Примерно 2,4 миллиарда лет назад, ближе к центральной точке истории нашей планеты, содержание кислорода на поверхности океана и в атмосфере в целом начало подниматься до ощутимого уровня, хотя все еще было гораздо ниже, чем сегодня. Примерно в это же время некогда оранжевое небо, вероятно, начало становиться все более и более голубым. Хотя эта планетарная веха известна как «Кислородная революция» или «Кислородная катастрофа», это было не столько отдельное событие, сколько длительный переход, продолжавшийся более 200 миллионов лет.

За этот перманентный сдвиг в земной системе отвечали, вероятно, многочисленные геологические и биологические процессы, включая изменения в составе вулканических выбросов и химические реакции, которые позволили атмосферному водороду улетучиться в космос, оставив после себя избыток O₂. Каким бы ни было точное сочетание механизмов, цианобактерии, несомненно, стали важнейшим источником накопления кислорода. Возможно, тектоническая активность изменила круговорот и распределение фосфора и других питательных веществ, необходимых цианобактериям, что дало им решающее преимущество перед конкурентными организмами, увеличило их популяции и резко повысило общее производство кислорода.

В конечном счете эти солнцелюбивые микробы невольно довели планету до новой крайности. Некоторые ученые предполагают, что ранние выбросы кислорода цианобактериями спровоцировали одно из самых страшных массовых вымираний в истории Земли, хотя прямых доказательств этому нет. В то время большинство микроорганизмов предположительно избегали кислорода, поскольку его химически активная молекула могла начать опасные химические реакции, разрушающие клеточные структуры организмов. Новая кислородная среда могла оказаться смертельной для подавляющего большинства протерозойских микробов, которые не обладали набором антиоксидантных защитных механизмов, присущих современным организмам.

Параллельно с этим цианобактерии, вероятно, спровоцировали один из самых ранних климатических кризисов на Земле – похолодание на всей планете. В начале существования Земли обилие парниковых газов поддерживало тепло, заставляя его оставаться в нижних слоях атмосферы. Однако в три этапа в период между 2,4 и 2,1 миллиардами лет назад температура на планете резко упала и огромные ледяные щиты расползлись по всей планете, возможно, покрыв сушу и моря от полюса до полюса, за исключением тонкого пояса вблизи экватора – по крайней мере, согласно гипотетическому сценарию, известному как «Земля-снежок».

Причины этого кризиса до конца не известны, но кислород, который вырабатывали цианобактерии, мог вступать в реакцию с метаном, преобразуя его в углекислый газ, который задерживал гораздо меньше тепла. В то же время цианобактерии избавлялись от большого количества углекислого газа в атмосфере посредством фотосинтеза. Без газового одеяла Земля замерзла. Все живое, что выжило, скорее всего, пряталось в немногих сохранившихся теплых убежищах возле вулканов, горячих источников и морских жерл. Во время первого оледенения, вероятно, сработал термостат Земли: планета в конце концов потеплела, цианобактерии возродились, и кислород продолжил поступать в атмосферу. Этот цикл мог повторяться несколько раз в период между 750 и 580 миллионами лет назад.

В течение примерно миллиарда лет после «Кислородной катастрофы» уровень кислорода в атмосфере и океане Земли оставался на низком уровне – это была лишь малая толика того, что есть сегодня. Однако даже этого небольшого количества кислорода могло быть достаточно, чтобы начать несколько эволюционных процессов. Хотя свободный кислород, вероятно, был смертельно опасен для многих самых ранних форм жизни на планете, его накопление также давало беспрецедентную возможность для роста и изменений. Свободный кислород, состоящий из двух связанных между собой атомов кислорода, не только легко образует связи с другими молекулами, но и выделяет большое количество энергии при разрыве и восстановлении собственных связей. Приспособившись дышать кислородом, организмы увеличили эффективность метаболизма почти в 18 раз, что, возможно, способствовало развитию более сложных, требующих энергии клеток, крупных тел и всевозможных телесных метаморфоз.