Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Мораль сей басни проста. Эволюция идет по пути отбора полезных для данных условий адаптаций, и выигрывает самый простой, самый быстрый или самый эффективный путь, даже если при этом за борт выбрасывается значительная часть багажа и организм становится менее сложным. Теперь мы понимаем, что многие простые одноклеточные организмы, которых мы раньше считали реликтами древнейших времен, на самом деле когда-то были сложнее, но постепенно упростились. В предыдущей главе я упоминал о брожении. Оказывается, это вовсе не простейший путь получения энергии, впоследствии вытесненный более эффективным механизмом с участием кислорода. Напротив, для дрожжей это сравнительно новый (в эволюционном плане) механизм адаптации к жизни в среде с низким содержанием кислорода, и владеющие этим механизмом организмы утратили способность использовать кислород.

Вторая поучительная история иллюстрирует метаболическую сложность обманчиво простых микробов. Человек и другие крупные животные в бескислородной среде быстро задыхаются и умирают, поскольку наше тело, состоящее примерно из 15 миллионов миллионов клеток, может использовать только этот тип дыхания. По этой причине мы способны осуществлять не очень широкий спектр биохимических реакций, хотя весьма эффективно управляем имеющимися у нас ограниченными ресурсами. А вот некоторые микробы, живущие за счет дыхания кислородом, при попадании в бескислородную среду просто переключаются на другой вариант энергетического метаболизма и прекрасно продолжают жить.

Одна из таких бактерий — Thiosphaera pantotropha. Если судить с нашей эволюционной колокольни, находится она в самом-самом низу, поскольку живет в экскрементах. Впервые эта бактерия была обнаружена в очистных сооружениях в 1983 г. Оказалось, что она обладает виртуозной способностью извлекать энергию из нечистот. В присутствии кислорода она получает энергию из широкого круга органических и неорганических субстратов путем аэробного дыхания. Однако в анаэробных условиях она добывает энергию из тиосульфата или сульфида, используя вместо кислорода оксиды азота. Единственное, чего она не умеет, так это осуществлять брожение. Такая биохимическая гибкость позволяет бактерии жить в самых разных условиях — при внезапных изменениях химического состава среды, вызванных периодической подачей кислорода для ускорения процесса очистки стоков, она переходит от использования одного субстрата к использованию другого.

Генетический анализ широкого круга живых организмов показывает, что гипотетическая общая прапрабабушка всех живущих на Земле организмов (LUСА) уже 4 млрд лет назад умела переключаться с одного типа метаболизма на другой. Большинство ее потомков, по-видимому, потеряли такую способность. Мы вернемся к этой теме в главе 8.

Таким образом, докембрийский период был временем удивительных метаболических инноваций. Микробы учились применять энергию Солнца и окислительную силу кислорода, а также извлекать энергию из соединений серы, азота и металлов. Эти реакции оставили едва заметные следы (так называемые изотопные подписи углерода или серы) в осадочных породах, а иногда и весьма заметные следы в виде миллионов тонн горных пород. Метаболизм древних микробов прямо или косвенно обеспечил нас гигантскими резервами железа, марганца, урана, золота и, конечно же, фальшивого золота — пирита. Эти породы и руды откладывались не одновременно и не синхронно, а в разные моменты времени и при разных внешних условиях. Последовательность событий была тщательно восстановлена с помощью точного метода радиоуглеродного датирования, и полученная информация открывает яркую картину жизни на первозданной планете и рассказывает о роли кислорода.

Первые доказательства древней жизни обнаружены в тех самых горах Гренландии, о которых мы говорили в главе 2. Эти доказательства представляет собой аномальное соотношение различных изотопов углерода. Статью об этом важном открытии в журнале Nature в 1996 г. опубликовал молодой аспирант Стивен Мойжис и его коллеги из Океанографического института Скриппса в Калифорнии. Интерпретация этих углеродных подписей в камнях так важна для нашего рассказа, что следует объяснить, что же это такое. Изотопы углерода хранят информацию о триумфах и несчастьях живых организмов, а их соотношение позволяет достаточно точно оценивать изменения атмосферы древней Земли.

Атом углерода в природе существует в разных вариантах (не путайте с молекулярными формами углерода, такими как алмаз или графит). Эти варианты называют изотопами . У каждого изотопа углерода в ядре шесть протонов, так что все они имеют атомный номер шесть и, следовательно, обладают одинаковыми химическими свойствами. Но кроме шести протонов в ядре атома углерода может содержаться разное число нейтронов, что влияет на массу атома. Чем больше в ядре нейтронов, тем тяжелее атом. Например, 12С имеет шесть нейтронов, так что его атомная масса равна 12 (6 протонов и 6 нейтронов), тогда как 14С имеет 8 нейтронов, и его атомная масса равна 14 (6+8).

Самым распространенным изотопом углерода на Земле является 12С (на его долю приходится 98,89% всего углерода), и именно по отношению к нему измеряется относительная атомная масса всех остальных химических элементов. Ядро 12С стабильно и не подвержено радиоактивному распаду. Напротив, 14С постоянно образуется в небольшом количестве (примерно 1:10 12) в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Нестабильное ядро этого изотопа распадается с постоянной скоростью. Время полураспада (необходимое для распада половины массы) составляет 5570 лет. Это малое (в геологических рамках) время полураспада делает данный изотоп удобным инструментом для определения возраста и аутентичности доисторических артефактов или исторических документов, таких как свитки Мертвого моря или Туринская плащаница [12] Изотоп 14 C распределяется в атмосфере и впитывается живыми растениями в составе углекислого газа в процессе фотосинтеза, а затем поглощается животными. Его доля по отношению к другим изотопам углерода остается практически постоянной, поскольку в долгосрочном плане скорость его распада примерно равна скорости его образования. Однако когда растения и животные умирают, прекращение циркуляции газа в тканях приводит к тому, что ткани больше не находятся в равновесии с атмосферой, и поэтому содержание 14 C постепенно снижается в соответствии со скоростью радиоактивного распада. Таким образом, более старые органические соединения содержат меньше 14 C. .

Но каким бы замечательным ни был этот инструмент датирования, к нашему рассказу он не имеет никакого отношения. Для нас важен другой изотоп — 13C. В отличие от 14С, 13С имеет стабильное ядро и не подвергается распаду. В этом отношении он похож на 12С. Поскольку он стабилен, его общее количество на Земле и в атмосфере постоянно (1,1% общего содержания углерода). Таким образом, соотношение количества изотопов 12С и 13С на Земле тоже является постоянной величиной (98,89:1,11). Другими словами, если мы сложим весь углерод, содержащийся в растениях, животных, грибах и бактериях, в каменном угле, нефти и газе, присутствующий в виде углекислого газа в атмосфере и растворенный в океанах и болотах в виде карбонатов, а также застывший в виде извести в карбонатных горных породах, мы увидим, что соотношение стабильных изотопов углерода составляет 98,89:1,11.