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

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 О 2, 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 (SO 4), нитраты (NO 3), карбонаты (CO 3) и фосфаты (PO 4).

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.