История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
Третий вид формаций, содержащих окаменелости, – это строматолиты, представляющие собой слоистые куполообразные структуры из минеральных отложений, образованных ранними формами жизни. Палеонтологи, вероятно, были бы озадачены происхождением этих курганов, сохранившихся чаще всего в известняковых породах, если бы не современные живые рифы из строматолитов, встречающиеся на мелководье; самые живописные из них встречаются в отдаленном заповеднике Акульей бухты в Западной Австралии. Такие странные осадочные образования возникают, когда слизистая поверхностная оболочка бактерий, обладающих фотосинтезом современных живых рифов, формирует минеральные наслоения – слой за слоем. Сотни строматолитов обнаружены по всему миру, в том числе в горных породах старше 3 млрд
Черный кремнистый сланец, черный глинистый сланец и строматолиты – к этому списку древнейших на Земле формаций, содержащих окаменелости, Нора Ноффке добавила четвертый тип горных пород: песчаник. Вполне объяснимо то, что на песчаник не обращали должного внимания. Большинство окаменелостей сохранилось в мелкозернистых породах вроде кремнистого сланца, глинистого сланца или известняковых рифов – отсюда и внимание к черному кремнистому сланцу, черному глинистому сланцу и строматолитам. В отличие от них песчаник обладает более грубой структурой, зерна которой превышают размеры большинства микроорганизмов. К тому же песчанистые породы преимущественно сосредоточены в береговой зоне, в неспокойной полосе приливов, где все следы жизни быстро уничтожаются – разрушаются, смываются и рассеиваются. И все же Ноффке в течение двух десятилетий исследовала современные приливные отмели с их богатыми экосистемами и в результате обнаружила, что жесткие, волокнистые бактериальные маты оставляют заметные следы на песчаном мелководье вдоль линии берега. Их морщинистые отпечатки на поверхности песка напоминают складки на скатерти; они улавливают и задерживают частицы осадка в массе густых, упругих жгутов водорослей; они изменяют рисунок, оставляемый на песке рябью; под воздействием штормов они разрываются плотными кусками, которые скатываются в рулоны наподобие персидских ковров.
Большинство песчаников в естественных обнажениях на вид гладкие или слегка волнистые без всяких признаков чего бы то ни было биологического. Но однажды Ноффке попался образец с характерной морщинистой, потрескавшейся поверхностью, похожей на окаменелые бактериальные маты в древних горных породах, и она обнаружила отчетливые следы почти на всей поверхности. В 1998 г. во Французских Альпах подобные морщинистые структуры Ноффке выявила на обнажениях пород Черной горы (Montagne Noire) возрастом 480 млн лет. В 2000 г., после научно-исследовательской работы в Гарварде, она отправилась к еще более древним горам в Намибии (возраст 550 млн лет) и обнаружила там похожие следы. Факт существования бактериальных матов полмиллиарда лет назад отнюдь не является новостью; все палеонтологи сходятся на том, что такие маты могут встречаться повсюду и в гораздо более древних прибрежных породах. Но до Ноффке никому не пришло в голову тщательно исследовать сначала современные маты, а затем распознать подобные следы, сохранившиеся в виде бесспорных окаменелостей в древних породах.
В 2001 г. Ноффке сделала первое из своих революционных открытий, обнаружив следы бактериальных матов в горных формациях старше 3 млрд лет в Южной Африке и Австралии, т. е. гораздо раньше предполагаемого Великого кислородного события. Такие мелкие следы невозможно разглядеть под ослепительным сиянием полуденного солнца, но вечером, в конце череды долгих, утомительных и нередко бесплодных поисков, когда солнечные лучи освещают горные склоны под большим углом, характерные морщинистые структуры на обнажениях песчаника становятся отчетливо видны. «Эти отпечатки просто бросались в глаза повсюду», – вспоминает она об одном захватывающем открытии, случившемся в самом конце последнего дня полевой экспедиции в Африке.
Нора впервые обратилась ко мне в 2000 г. по рекомендации своего гарвардского наставника, палеонтолога Энди Ноула. Мы с Энди дружили еще с наших студенческих 1970-х; в какой-то момент научные дороги у нас разошлись, но обоюдный интерес к астробиологии снова нас сблизил. Ноул понимал, что исследования древних матов у Ноффке почти целиком основывались на поверхностных признаках и нуждаются в теоретическом обосновании. Рядовой палеонтолог, не имеющий опыта Ноффке в исследованиях современных матов, легко проглядел бы или попросту отмахнулся от странных ребристых отпечатков или морщинистой поверхности выходов горных пород. Ноул посоветовал ей подкрепить исследования матов аналитическими данными по минералам, биомолекулам и изотопам, сохранившимся в мелкозернистых слоях породы. Возможно, следы древнего углерода или концентрация характерных минералов окажутся неопровержимым свидетельством для некоторых древнейших, хотя и сомнительных, признаков бактериального мата. Мне уже доводилось работать с другими учениками Ноула, поэтому я согласился.
Первые же присланные Ноффке образцы дали нам наглядный урок о необходимости аналитического исследования. Она нашла тонкие извилистые черные слои в песчаных отложениях возрастом 3 млрд лет – в тот момент для бактериальных матов это могло оказаться рекордом древности. В этих черных отпечатках ей необходимо было подтвердить присутствие углерода с характерными для живого вещества изотопными признаками, чтобы, например, тяжелого изотопа углерода-13 было бы процента на три меньше по сравнению с тем, что характерно для типичной земной коры. Она уже написала статью для журнала Science и собиралась отправить ее, ожидая только единственного подтверждающего отзыва. Образцы породы были срочно экспресс-почтой отправлены из Кембриджа в Геофизическую лабораторию. Я оказался в цейтноте.
К счастью, моя коллега Мэрилин Фогель, эксперт по изотопам углерода в Геофизической лаборатории Института Карнеги, согласилась помочь. Мэрилин осмотрела образец и подсказала мне, что делать: разбить кусок породы и истолочь его в порошок, поместить по несколько микрограммов порошка в маленькие чашечки из оловянной фольги, взвесить образцы и свернуть каждую чашечку в миниатюрный шарик размером с дробинку. Эти образцы и образцы эталонного изотопа углерода были затем по очереди помещены в печь, в которой любые соединения углерода испаряются в газообразный диоксид углерода. Газ поступает в высокочувствительный масс-спектрометр, где разделяется на изотопы углерода-12 и углерода-13. Чтобы получить убедительные данные, понадобилось всего несколько часов.
Нора надеялась на коэффициент между 25 и 35, типичный для бактериальных матов. Но компьютер выдал совершенно иной результат. Изотопный коэффициент оказался равным нулю, т. е. величине, не имеющей ничего общего с биологией. Это характерно для неорганического углерода, который в жидком виде поднимается из мантии и откладывается в виде тонких прожилок черного графита. Общий итог: черные следы в образцах Ноффке действительно содержали углерод, но, безусловно, имели небиологическое происхождение.
Памятуя об этом наглядном уроке, мы немедленно принялись за анализ других черных следов в большом количестве образцов многообещающих древних отложений, привезенных Норой из самых разных точек – из Южной Африки, Австралии, Гренландии. Время от времени мы получали коэффициент изотопов углерода на уровне 30, соответствующем бактериальным матам, и нашли другие доказательства того, что более 3 млрд лет назад на нашей планете бактерии водились во множестве вблизи песчаных берегов. И в отличие от мелких черных следов или вкраплений биомолекул находки Ноффе можно увидеть непосредственно, в масштабе целых обнажений. Ее данные можно было, как говорится, потрогать рукой.
Но остается главный вопрос: производили ли микроорганизмы из этих матов кислород или они использовали солнечный свет для более простой фотохимии? Бактерии развивались с использованием различных способов потребления солнечной энергии, и не все из этих способов сопровождались выделением кислорода. Ответ на вопрос, как обеспечивали свою жизнедеятельность организмы из бактериальных матов давностью 3 млрд лет, могут дать только будущие исследования.
Минералогический взрыв