Эволюция. Триумф идеи
Шрифт:
По урану можно определить возраст не всякой горной породы. Цирконы, эти точные природные часы, образуются только при остывании определенных сортов вулканической лавы. При исследовании осадочных пород система определения времени уран-свинец почти бесполезна. Еще одна проблема заключается в том, что образование заметного количества свинца из урана занимает миллионы лет. Там, где речь идет о тысячах лет — в масштабах человеческой истории, — уран не работает. К счастью, геохимики не ограничены в своем выборе только ураном и свинцом. В зависимости от предмета и области исследований они могут обратиться к десяткам других радиоактивных элементов. К примеру, абсолютные даты человеческой истории ученые определяют по одному из изотопов углерода —
Углерод-14 возникает при столкновении заряженных частиц, которые непрерывным дождем падают на Землю из космоса, с атомами азота в атмосфере. Это временное превращение: со временем атомы углерода-14 распадаются обратно до атомов азота, выделяя при этом несколько элементарных частиц. Живые растения поглощают из воздуха двуокись углерода, в том числе и образованную свежими атомами углерода-14, и тем самым поддерживают постоянное содержание углерода-14 в своих тканях. То же происходит и с травоядными животными. Но как только растение или животное умирает, процесс поглощения углерода-14 прекращается и его количество начинает снижаться — изотоп распадается с образованием азота. Измерив содержание углерода-14 в мертвых тканях животного или растительного происхождения, можно определить их возраст.
Изотопные часы позволили палеонтологам привязать историю жизни на Земле к абсолютной временной шкале. Во времена Дарвина невозможно было определить не только возраст Земли, но и возраст любой окаменелости. Максимум, что мог сказать любой ученый той эпохи, — это то, что данная окаменелость принадлежит к тому или иному геологическому периоду. Древнейший период, в породах которого обнаруживались окаменелости, был назван кембрийским, а все породы еще более древних слоев просто получили название докембрийских. Для Дарвина появление кембрийских окаменелостей — ни с того ни с сего, без всяких предшественников — представляло загадку не менее сложную, нежели остывание Земли, о котором говорил Кельвин.
«Если теория верна, — писал он об эволюции путем естественного отбора, — то перед образованием глубочайших кембрийских пластов, бесспорно, протекли долгие периоды… и на протяжении всего этого времени мир кишел живыми существами… На вопрос о том, почему мы не находим богатых окаменелостями залежей, которые относились бы к этим предположительным ранним периодам до кембрийской системы, я не могу дать удовлетворительного ответа. Пока этот вопрос остается открытым; в самом деле, он может выдвигаться как серьезный аргумент против изложенных здесь взглядов».
Теперь палеонтологи знают, что докембрийские просторы действительно кишели живыми существами — и было это 3,85 млрд лет назад и даже раньше. Древнейшие свидетельства жизни обнаружены на юго-западном побережье Гренландии. Там нет окаменелостей, по крайней мере в общепринятом смысле этого слова. Организм, конечно, может оставить после себя видимый и вполне материальный след — череп, раковину, отпечаток цветочного лепестка, — но, кроме этого, остаются еще особые химические вещества; сегодня ученые научились их находить.
Отношение содержания углерода-13 к углероду-12 в органических веществах, к примеру, в древесине или волосах, ниже, чем в неорганическом углероде, выделившемся при извержении вулкана в виде двуокиси. Таким образом, можно определить, находился ли углерод данной геологической породы когда-нибудь в живом существе. Рассмотрим, к примеру, лист, растущий на ветке вяза. Он накапливает в себе С-13 и С-12 в низком количественном соотношении, т. е. легкого изотопа сравнительно больше. Если этот лист сжует гусеница, углерод из него перейдет в ее ткани. Уровень С-13 в них также будет низким, — как и в тканях птицы, которая склюет гусеницу. И птицы, и гусеницы, и листья рано или поздно умирают, и когда это происходит, они становятся
В 1996 г. американские и австралийские ученые отправились к извилистым фьордам и голым островам юго-западной Гренландии, где можно найти древнейшие осадочные породы на Земле. Через их слои проходит слой вулканических пород, и ученые при помощи ураново-свинцовых «часов» в цирконах определили его возраст в 3,85 млрд лет. Затем они внимательнейшим образом исследовали соседние осадочные слои. За время существования эти мягкие породы претерпели множество метаморфоз: разогревались до высоких температур, подвергались жуткому давлению и всевозможным другим воздействиям; они изменились почти до неузнаваемости. Но исследователи все же нашли микроскопические улеродные частицы в этих осадочных породах, в минерале под названием апатит. Они привезли образцы в свои лаборатории, распылили при помощи ионного пучка и определили содержание в них изотопов углерода. Выяснилось, что для углерода в апатите характерно то же низкое содержание С-13, что и в современном биологическом углероде, — содержание, источником которого могла стать только жизнь.
Ученые не могут сказать, как долго существовала жизнь на Земле, прежде чем оставила эту отметку на скалах Гренландии, поскольку породы старше 4 млрд лет до наших дней не сохранились. Но можно с уверенностью сказать, что зарождение жизни происходило в адской обстановке. Первые 600 млн лет Землю буквально бомбардировали гигантские астероиды и миниатюрные планеты. Некоторые из них были достаточно крупными, чтобы вскипятить верхние несколько метров Мирового океана и убить в них всякую жизнь. Возможно, жизнь пережидала подобные катаклизмы возле термальных источников на океанском дне, где и сегодня живут бактерии. Когда же моря остывали и вновь наполнялись дождями, микробы получали возможность выйти из своего убежища.
Но, как бы жизнь ни начиналась, к тому моменту, когда она оставила свой след в гренландских породах, она, должно быть, уже набрала силу. В то время океаны кишели бактериями, которые, как и сегодня, уже умели производить свою собственную пищу — из солнечного света или химических веществ в горячих источниках. Эти самодостаточные микробы, вероятно, служили пищей хищным бактериям — а также хозяевами для вирусов.
Возраст древнейших настоящих окаменелостей бактерий — 3,5 млн лет, это на 350 млн лет позже первых химических признаков присутствия жизни на планете. Эти окаменелости были обнаружены в 1970-х гг. в западной Австралии; состоят они из тончайших микробных цепочек, которые выглядят точно так же, как сегодняшние синезеленые водоросли (известные еще как цианобактерии). На протяжении миллиардов лет эти бактерии формировали обширные илистые ковры в многочисленных мелких водоемах, а 2,6 млн лет назад покрыли тонкой корочкой и сушу.
Конечно, жизнь — это не только бактерии. Мы, люди, принадлежим к обширной группе организмов, известных как эукариоты; в нее входят животные, растения, грибы и простейшие.
На древнейшие следы эукариотов указывает не традиционный анализ ископаемых, который дает датировки порядка 1,2 млрд лет, а их молекулярное исследование. Есть множество признаков, по которым эукариоты отличаются от бактерий и других форм жизни. Среди них — конструкция их клеточной оболочки. Эукариоты придают своей клеточной оболочке жесткость при помощи семейства жирных кислот, известных как стерины. (Например, к семейству стеринов принадлежит холестерин; если при слишком большом содержании в крови он может быть опасен, то жить совсем без него вы бы просто не смогли. Ваши клетки распались бы.)