Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Однако несмотря на постоянство этой величины в целом, в горных породах иногда встречаются отклонения от стандартного соотношения. Насколько нам известно, эти отклонения связаны исключительно с деятельностью живых организмов [13] В книге «Жизненно важный вопрос» автор уточняет, что изотопное фракционирование не обязательно связано с деятельностью живых существ, но может происходить (хотя и медленнее) за счет геологических процессов в гидротермальных источниках. — Примеч. пер. . Дело в том, что фотосинтезирующие клетки, использующие для синтеза органических веществ углекислый газ из воздуха или воды, предпочитают изотоп 12С. Более легкий изотоп 12С имеет чуть более высокое значение колебательной энергии, так что для осуществления реакций с его участием требуется затратить чуть меньше энергии (более низкая энергия активации). Поэтому ферменты охот-нее катализируют реакции с участием 12С, чем с участием 13С. Более высокая скорость образования связей с участием 12С означает, что органические соединения обогащаются этим изотопом по сравнению с 13С. Обычно соотношение 12С и 13С в живой материи примерно на 2 — 3% отличается от стандартного соотношения.

Когда останки растений, водорослей или цианобактерий превращаются в осадочные породы, они забирают с собой весь избыток изотопа 12С. Поскольку органическое вещество в земле обогащено 12С, в нем соответственно меньше 13C, что означает: больше 13С остается в составе карбонатов в океанах и горных породах, а также в углекислом газе в воздухе. Это отражение принципа массового баланса: то, что зарыто под землей, не может находиться над ее поверхностью. Приложения этого простого принципа распространяются удивительно далеко. Изотопы 12С и 13С включаются в карбонатные горные породы (такие как известняк) в соответствии с соотношением, которое отражает их относительное содержание в океанах. Поскольку в земле захоронено больше 12С, в океане остается больше 13С, так что карбонатные горы оказываются обогащенными 13С. Таким образом, наличие биологической активности можно зафиксировать по двум параметрам — по обогащению находящегося в земле органического материала, такого как уголь, изотопом 12С или по обогащению карбонатных горных пород, таких как известняк, изотопом 13С.

Геологические эпохи, сопровождавшиеся активным отложением углерода, такие как каменноугольный период (около 300 млн лет назад) с гигантскими низко залегающими болотами и массивными пластами угля, оставили заметные подписи изотопа 12С в органических включениях, таких как уголь в минеральных породах. Но чем дальше в прошлое мы углубляемся, тем сложнее читать изотопные подписи, хотя бы по той причине, что сохранилось меньше органического материала. В какой-то момент образцы становятся размером с семечко, и для их анализа требуется специальное сложное оборудование. Зная это, Стивен Мойжис и его коллеги принялись изучать древние горы Гренландии. Их подход быстро принес плоды: они обнаружили мельчайшие фрагменты угля, заключенные в гранулы апатита — минерала, состоящего из фосфата кальция. Апатит может секретироваться микроорганизмами, но также кристаллизуется неорганическим путем из океанской воды, так что само по себе сочетание угля и апатита лишь указывает на потенциальную возможность существования жизни. Но когда исследователи проанализировали соотношение изотопов углерода в образцах, они получили поразительный результат. Вкрапления углерода содержали на 3% больше изотопа 12C, чем обычно. По этому поводу геохимик Генрих Холланд в статье в журнале Science заметил следующее:

«Самым разумным объяснением этих данных является то, что жизнь существовала на Земле уже более 3,85 млрд лет назад».

Кроме того, жизнь, вероятно, уже изобрела фотосинтез, который является главным источником изотопных подписей углерода.

Можно ли верить этим данным? Есть и другие доказательства, подтверждающие такой ход событий. Примерно через 300 млн лет (то есть 3,5 млрд лет назад) на западе Австралии возникла горная формация Варравуна, в которой сейчас находят микроскопические окаменелости, напоминающие современных цианобактерий. На протяжении докембрийского периода цианобактерии в основном жили в виде колоний, называемых строматолитами. Эти купола живых камней достигают в высоту нескольких метров. Живые строматолиты изредка встречаются до сих пор, например в Акульей бухте на западе Австралии. А в соседних скалах сохранились отпечатки аналогичных структур возрастом 3,5 млрд лет. В этой местности геотермальной активности никогда не было, так что, по-видимому, микробы в древних строматолитах получали энергию с помощью фотосинтеза, как и сегодня. Хотя ни одно из этих доказательств само по себе не является окончательным, в целом изотопные подписи углерода, микроокаменелости и ископаемые строматолиты позволяют предположить, что фотосинтезирующие бактерии расселились по Земле как минимум 3,5 млрд лет назад.

Самые первые неоспоримые доказательства присутствия цианобактерий на 800 млн лет моложе. Примерно 2,7 млрд лет назад в мелком океане образовалось одно из самых значительных месторождений железной руды. Эти отложения относятся к хребту Хамерсли, расположенному вблизи Виттенума в Западной Австралии. Для своего почтенного возраста эти старые горы сохранились очень хорошо, претерпев сравнительно мало химических и физических изменений («метаморфизмов» на языке геологов). Две главные движущие силы метаморфизма — тепло и давление — со временем разрушают хрупкие биологические молекулы. Поскольку горы Хамерсли слабо пострадали от метаморфизма, Йохен Брокс и его коллеги из Австралийского геологического общества и Университета Сиднея решили, что под слоями железной руды могли сохраниться некоторые древние молекулы (характерные биологические «отпечатки пальцев», называемые биомаркерами). После выделения образцов и тщательной проверки их чистоты от свежих примесей ученые с радостью обнаружили богатую смесь идентифицируемых биомаркеров. Результаты этой работы были опубликованы в 1999 г. в журнале Science и вызвали шквал комментариев. Были найдены не только маркеры, указывающие на присутствие цианобактерий (то есть характерные молекулы, содержащиеся исключительно в цианобактериях), но и большое количество сложных стеранов (производных стеринов, таких как холестерин), которые до тех пор были обнаружены только в клеточных мембранах наших с вами прямых предков — одноклеточных эукариот.

Это открытие имело двойное значение: оно доказывало, что производящие кислород цианобактерии и первые представители эукариот сосуществовали на планете уже как минимум 2,7 млрд лет назад. Древнейшие ископаемые эукариотические клетки имели возраст 2,1 млрд лет, так что Брокс и его коллеги отодвинули начало эволюции эукариот на 600 млн лет назад. Это важно для понимания состава окружающей среды, обеспечивавшей жизнедеятельность этих клеток. В частности, биосинтез стеринов зависит от наличия кислорода и требует присутствия в атмосфере более чем следовых количеств этого газа. Современные эукариоты способны синтезировать стерины при содержании кислорода не менее 0,2 — 1% атмосферного уровня, и у нас нет причин считать, что их древние предки отличались от них в этом смысле. Если цианобактерии действительно эволюционировали от 3,85 до 3,5 млрд лет назад, как следует из палеонтологических доказательств, обнаруженных в горах Варравуна, и изотопных подписей, вполне возможно, что в атмосфере к этому моменту уже накопилось какое-то количество кислорода. Но совпадает ли по времени это увеличение концентрации кислорода в воздухе с появлением первых эукариот? И если да, можно ли считать, что именно кислород стимулировал их эволюцию?