Жизнь в архее и путь к кислороду

Около 2,5 млрд лет назад Земля подверглась огромным изменениям, настолько значительным, что это вписало новую эпоху в геохронологическую временную шкалу. Самым древним периодом является катархей, который начался с формированием самой Земли (4,567 млрд лет назад) и закончился с появлением первых окаменелостей около 4,2 млрд лет назад. Следом пришел архейский эон, жестокое время в истории планеты, который начался в период «тяжелой бомбардировки» и закончился приблизительно 2,5 млрд лет назад, с приходом протерозойской эры. Переход от архея к протерозою в общем совпадает с увеличением количества кислорода в атмосфере, а кислород этот произвели организмы, способные к фотосинтезу.

Фотосинтез — процесс, который жизнь использует для преобразования инертного углекислого газа в живую клеточную материю, таким образом заменяя «неорганический» углерод на то, что называется «органическим» углеродом. Есть доказательства того, что в период между 4,2 и 2,5 млрд лет назад в архее уже существовал некий фотосинтезирующий организм. Также очевидно, что развитие фотосинтеза началось после возникновения первичных жизненных форм. Первичные организмы, вероятно, использовали водород в соединениях, в которых он химически взаимодействовал с атомами серы, и тем самым производился важный с энергетической точки зрения (и для всей истории развития жизни) сероводород[79]. Водород очень энергоемкий, потому-то люди и хотят научиться использовать его везде где только можно: от автомобилей до электростанций. Нам также известно, что архейские организмы, по-видимому, использовали те же основные необходимые элементы, что и жизнь сегодня: углерод, серу, кислород, водород и азот.

Мы сегодня располагаем некоторыми сведениями о том, каковы были океаны и атмосфера 3,5 млрд лет назад. Скорее всего, концентрация углекислого газа значительно превышала сегодняшний уровень. Атмосфера была насыщена водяными испарениями, а также метаном. Без тех архейских парниковых газов, водяных паров, метана и углекислоты на Земле вряд ли существовала бы жидкая вода. Было очень жарко, но во времена, когда Солнце являлось гораздо менее активным, планета, скорее, согревалась сама — благодаря парниковым газам, без которых атмосфера не смогла бы удержать тепло. Но это была атмосфера без кислорода.

Многое из того, что мы знаем о том, весьма продолжительном, архейском периоде, приходит благодаря изучению современных аналогичных природных условий. Среды с низким содержанием кислорода довольно редки в наших теперешних океанах, но намного чаще встречаются в современных небольших озерах. На самом деле, многие озера сегодня сильно расслоены и содержат тонкий кислородный слой (образованный взаимодействием с атмосферой), под которым лежат слои, в которых кислорода вовсе нет. Изучение микрожизни в таких слоях позволяет узнать, что представляли собой сообщества микроорганизмов в далеком прошлом. В современных озерах, как, видимо, и в древних архейских морях, одними из наиболее значимых для углеродного круговорота являются организмы, которые связаны с химией метана. Как упоминалось ранее, метан помогает удерживать тепло, отраженное от земной поверхности и стремящееся улетучиться обратно в космос[80]. Некоторые бактерии могут расщеплять метан и использовать его в качестве пищи. Таким образом его употребляли многие ранние формы жизни, а это значит, что жизнь, едва сформировавшись, сразу переключилась на другой вид потребления энергии. Прямо как автомобили в своем развитии: сначала им нужен был пар, потом дизельное топливо, потом бензин (и дизельное топливо, и бензин — углеродные соединения, несущие энергию, как и метан), а вскоре и водородное топливо. Только человечество обращается к водородному топливу в последнюю очередь, тогда как жизнь начинала именно с него.

Много информации о раннем этапе истории развития жизни на планете дают нам осадочные породы. Например, одной из особенностей архейских осадочных отложений является частое проявление в них яркоокрашенных красных слоев. Они называются полосчатыми железистыми формациями, или ПЖФ. Эти интересные осадочные породы не образовывались в земной коре в более или менее значительных объемах на протяжении последних 1,85 млрд лет, за исключением одного-двух периодов «Земли-снежка» в конце докембрия, о чем мы расскажем подробнее в следующей главе. У железистых формаций есть загадка, которую уже долго не могут разрешить: чтобы так широко распространиться тонким слоем, железу надо быть растворенным в воде, а это означает, что оно должно было иметь восстановленную форму, которая называется закись железа, она придает земле зеленоватый цвет. С другой стороны, чтобы высвободиться, железу необходимо иметь окисленную форму красного цвета, быть оксидным железом, которое просто оседает в воде в виде частиц, а не растворяется как сахар. Проблема в кислороде: закись железа постоянно реагирует со свободной молекулой O₂ и создает красную окисленную форму. Любое железо или железный минерал красного цвета показывает, что железо подвергалось этому химическому преобразованию, которое мы по-простому называем ржавчиной и которая почти всегда требует присутствия молекулы O₂. Как же получалось, что кислородный уровень океанической воды, с одной стороны, был довольно низок, что приводило к существованию железа в растворяемой форме, а с другой — достаточно высоким, чтобы создавать ржавчину? Этот вопрос уже очень давно ставит ученых в тупик.

Более 50 лет назад Престон Клауд, один из известнейших исследователей докембрийской палеобиологии из Университета Калифорнии, выдвинул гипотезу, что кислород, необходимый для окисления растворенного железа, особенно в океанах, происходил от деятельности фотосинтезирующих простейших, известных как синезеленые водоросли, цианобактерии (Cyanobacteria)[81]. Это единственный на планете организм, который сам научился производить дающий жизнь фотосинтез — процесс расщепления молекулы воды и высвобождения атома кислорода, если описывать буквально. Некоторые из его потомков «порабощены» теперь другими организмами и служат нам всем как зеленые светоулавливающие органеллы в растениях и других водорослях. Сегодня каждое растение на Земле имеет крошечные «капсулы», эволюционировавшие из тех первых синезеленых водорослей, но теперь они — рабы «эндосимбиоза», выполняющие прихоти многоклеточных растений. Престон Клауд представил себе плавающий «кислородный оазис» таких первых крошечных фотосинтезаторов-цианобактерий, каждая из которых производила крошечное количество кислорода, и за сотни миллионов лет они кардинально изменили природу не только жизни на Земле, но и химию океанов, атмосферы и даже твердого покрова нашей планеты. С каждой новой порцией кислорода, выброшенного в архейский океан, маленькие частицы ржавчины оседали на дне, медленно, но неуклонно накапливаясь в полосчатые железистые формации.

Молекулярный кислород — одно из самых ядовитых соединений. Все, кто принимает антиоксиданты вместе с витаминами, знают, что они помогают избежать рака, возникновение которого обычно провоцируется кислородом, разрушающим деликатную клеточную химическую систему и в результате превращающим ее в убийцу-зомби. Антиоксиданты — не просто рекламный миф. Кислород в своем химическом неистовстве разрушает клетки, преобразует, а зачастую и убивает их. Тогда как же организмы, которые производят такой яд, остаются в живых в момент выделения кислорода?

Здесь возникает классический вопрос о курице и яйце. Любая форма жизни, которая научилась выделять кислород, но при этом не обзавелась антиоксидантными ферментами, убила бы саму себя. Таким образом, сначала должна была развиться система контроля над кислородом. Но весь кислород в атмосфере производится фотосинтезом, то есть кислород не должен был появиться, пока эволюция не создала защитные механизмы от него! А значит, должен был существовать какой-то неорганический источник молекулярного кислорода, под воздействием которого первичные клетки выработали бы систему защиты против яда. Этот процесс подобен тому, в результате которого мы защищаем себя от смертельных болезней: в детстве подвергаемся их малому воздействию и тем самым даем нашему организму возможность постепенно создать защиту.

Так откуда же взялся этот ранний кислород для «вакцинации», если не из фотосинтеза? Очень сложно произвести кислород небиологическим путем. Реально работающий способ — это фотохимическая реакция под воздействием ультрафиолета, того самого, который вызывает солнечный ожог. Ультрафиолет, встречаясь с водой и углекислым газом в атмосфере, производит остаточный уровень O₂ и других соединений. Сегодня солнечное ультрафиолетовое излучение в основном блокируется озоновым слоем высоко в атмосфере, очень далеко над слоями, содержащими водяные пары (которые замерзают). Но в ранней истории планеты кислорода и, соответственно, озонового слоя не было, а значит, не было и защиты от ультрафиолета. Стало быть, очень сильное ультрафиолетовое излучение Солнца воздействовало на Землю и создавало небольшое количество молекул кислорода — недостаточное для дыхания, но вполне достаточное, чтобы жизнь на него отреагировала и эволюционировала в конце концов до форм, способных выживать при большом объеме кислорода.