Джон Уиллис - Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Такие микрофоссилии — единственное материальное подтверждение существования архейской жизни. Колонии простейших одноклеточных организмов были единственными живыми обитателями нашей планеты в то время. Эти клетки не обладали ядром, и молекула ДНК с их генетическим кодом свободно плавала внутри клеточной структуры.

Характерная и повсеместно распространенная особенность земной жизни позволяет нам провести остроумный геохимический эксперимент, с помощью которого мы можем удостовериться, что в ранние геологические эпохи на нашей планете уже присутствовали живые организмы. Вся современная жизнь зависит от проникновения углерода сквозь клеточную мембрану и реакций, в которые он вступает, находясь во внутриклеточной жидкости. В природе существует два стабильных изотопа углерода: углерод-12 ( 12C — содержащий 6 протонов и 6 нейтронов), который составляет приблизительно 99 % от всего встречающегося в природе углерода, и углерод-13 ( 13C — 6 протонов и 7 нейтронов) ‹‹6››. Более тяжелый изотоп 13C не может проникнуть через клеточную мембрану так же легко, как 12C, и поэтому его содержание в живых организмах существенно ниже, чем в природе. Таким образом, живая материя служит хорошим фильтром для изотопов углерода, а умирая, древние живые существа откладывались на дне океана в виде осадочных пород. Следовательно, если сравнить процентное содержание изотопов углерода в различных осадочных породах, то можно определить, какие из них образовались в результате процессов жизнедеятельности, а какие состоят из минеральных отложений ‹‹7››.

Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.

Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона — эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру — клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.

Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза — процесса преобразования углекислого газа (CO 2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород ‹‹8››. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.

Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.

Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации — толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.

Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций — прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кислорода, произведенного в результате оксигенного фотосинтеза. Как только все доступное железо прореагировало с кислородом, резервуар заполнился; лишний кислород стал выделяться из океанов и накапливаться в атмосфере.

Дополнительные сведения относительно обмена веществ первых форм жизни можно получить, изучая современные метаногены — примитивные археи, которые преобразуют CO 2в метан (CH 4) как побочный продукт жизнедеятельности. Прямых методов определения уровня метана в древней атмосфере, подобных тем, что используются для определения уровней кислорода, не существует. Но метаногенная жизнь позволяет нам строить предположения о том, как могли осуществляться другие возможные сценарии развития. В результате бурной вулканической деятельности атмосфера древней Земли, вероятно, была насыщена углекислым газом. При этом стоит отметить, что в ней практически не было молекулярного кислорода. Современные метаногены — это исключительно археи, простейшие одноклеточные организмы, сходные по своему строению с ранними прокариотами, о строении которых можем судить по их окаменелым остаткам. Сегодня они могут существовать только в бескислородных средах, которые, по-видимому, были широко распространены на Земле до возникновения фотосинтеза.