Новая история происхождения жизни на Земле
Шрифт:
Из всех геологических субстанций глина — минерал с наименее романтической судьбой. И тем не менее в больших количествах она способна изменить химический состав воздуха и воды на всей планете — что, собственно, и произошло. Кеннеди с коллегами утверждает, что возрастание количества частиц глины на морском дне по краям континентов спровоцировало изменение в объемах отложений органических останков, поскольку возрастающее количество восстановленных молекул углерода задерживалось на поверхностях микроскопических глинистых частиц. Австралиец Кеннеди вскоре стал первым директором Геологического центра имени Реджинальда Спригга в Университете Аделаиды. Это новое учреждение, названное в честь первооткрывателя эдиакарских ископаемых, ориентировано на развитие недавно появившейся науки — геологической биологии. Работа Кеннеди показывает нам, почему уровень содержания кислорода так быстро вырос во времена эдиакарской биоты в позднем протерозое. Значимость изысканий Кеннеди
Как было сказано в предыдущих главах, количество кислорода в атмосфере (и в гидросфере, коль скоро они непосредственно соприкасаются почти по всей поверхности морей) зависит от нескольких факторов, включая биологическое производство кислорода посредством фотосинтеза. Но куда более весомый эффект дает отложение и выветривание органического материала. Органические молекулы, такие как этан и метан, «восстановлены», а значит, и быстро окисляются, если приходят в соприкосновение с кислородом, растворенным в воде. Этот процесс химически изменяет кислород в молекулу (такую как H2O), которая больше не может окислять другие восстановленные молекулы. Но «восстановленные» органические молекулы могут терять контакт со свободным кислородом в воздухе или воде. Это может происходить, например, когда они быстро покрываются осадочными материалами и, таким образом, не имеют контакта с кислородом, растворенным в определенном море или озере. Кислород, постоянно продуцируемый растениями, в таком случае может накапливаться, что приводит к еще большей концентрации его в атмосфере. Если достаточное количество «восстановленных» органических молекул оказывается погребенным под осадочными частицами или, наоборот, вырывается на волю (что означает уменьшение объемов кислорода), то эти процессы могут приводить к существенным изменениям в атмосфере и, таким образом, влиять на жизнь на Земле. Но есть одна большая проблема. В осадочных породах наблюдается относительно небольшая концентрация органических молекул по сравнению почти с любым другим элементом, и если только органика каким-либо образом не удерживается на месте, то она мало накапливается в осадочных породах.
Органические молекулы и в самом деле легки. Бензин, например, представляет собой короткую органическую молекулу: он плавает на поверхности воды и быстро испаряется. Большая часть всего объема органических молекул, обнаруженных в океанах, реках и озерах, получается в результате разложения биологического материала, распада растительной или животной ткани на короткие цепочки углерода, химически связанного с атомами водорода. Единственный способ похоронить такие легкие молекулы под осадочными породами — это дать им какой-нибудь балласт. Вот тут-то и вспомним про глину. Кеннеди и его команда заметили, что глина без труда цепляет органические молекулы с помощью различных химических или даже механических способов. Медленно погружаясь ко дну сквозь толщу воды, маленькие частицы глины по пути подхватывают еще более мелкие органические молекулы и тянут их за собой на дно моря или озера. Словно хлопья снега во время снегопада, падающие частицы покрываются все большим количеством глинистых «снежинок», укрывая — слой за слоем — органические молекулы. Со временем в твердых толщах Земли накапливается большое количество восстановленных органических соединений. В результате повышается уровень кислорода.
Появление глинистых частиц — результат выветривания пород. Если кусок гранита оставить на растерзание стихиям, то он начнет постепенно крошиться. Некоторые из таких разрушений механические (например, процессы замерзания-таяния, когда вода попадает в тончайшие трещинки, замерзает и тает там, в процессе постепенно разрушая породу). Но чаще всего это результат химических реакций дождевой воды с какими-нибудь веществами в самом граните. В минеральном составе возникают значительные изменения, и одним из результатов такого выветривания является глина. Но большая часть глины происходит не из гранита на поверхности почвы, а из самой почвы. Там выветривание маленьких минеральных крупиц происходит в химически сложных, а иногда и кислотных микроусловиях в комбинации с органическими и неорганическими соединениями. И возникают комочки глины.
Почва фактически обеспечивает обе необходимые части уравнения под названием «как увеличить объемы кислорода»: и глину, и органику. Все, что потребовалось в позднем протерозое, это смыть большое количество органики из материковых почв в океан. Там глина и органические молекулы объединились, утонули и укрылись под осадочными породами. Проблема была решена, хотя и есть одно заковыристое обстоятельство: в учебниках-то написано, что на протерозойских материках не было значительного количества почвы, поскольку не было наземных растений.
Чтобы объемы кислорода достигли уровня, необходимого для животных, а это как минимум 10 % от содержания всех газов в атмосфере (для сравнения — сегодня в атмосфере содержится около 21 % кислорода), необходимо было «похоронить» огромное количество органических молекул. И кислорода-то в самом деле стало больше! Это можно объяснить, только предположив, что непосредственно перед появлением животных произошло какое-то весьма радикальное изменение в осадконакоплении. Такое новое видение вопроса, пожалуй, наилучшим образом обобщила группа Кеннеди в конце своего научного труда: «Итак, мы показываем минералогическое и геохимическое свидетельство увеличения глинистых отложений в позднем протерозое, которое непосредственным образом предшествовало появлению многоклеточных животных. Большинство современных глинистых минералов происходят из биологически активных почв, таким образом, первоначальное распространение примитивной сухопутной биоты сильно продвинуло выработку глинистых веществ, а это усилило развитие самих почв („фабрику глины“) и привело к увеличению морских отложений органического углерода посредством их сохранения под минеральными покровами».
Выводы этой работы невозможно переоценить. Самым важным, наверное, является то, что до недавнего времени мы сильно заблуждались насчет датировок и усложненности сухопутных живых сообществ в ранней истории Земли. Оказывается, они существовали намного раньше и имели намного более развитую, усложненную, разнообразную структуру, и у биомассы присутствовала иерархия. Более того, как показано еще в одной статье Кеннеди и его коллег, имеются объективные, прослеживаемые в геологической летописи свидетельства того, что уже в период кембрийского взрыва в пресноводных реках и озерах существовали усложненные живые организмы и сложные экосистемы. Это тоже дает важный вывод для понимания истории развития жизни. Все более и более очевидным становится тот факт, что завоевание суши животными и высшими растениями не обязательно происходило как прыжок из океана в сухопутные среды обитания. В большинстве случаев сперва происходил переход из соленой воды в пресную, а уже потом, на основе освоения пресноводных водоемов, жизнь вышла на сушу. В конечном итоге покорение суши было наиболее логичным следующим биологическим шагом, поскольку пресноводные сообщества уже состояли из животных и растений, строение организмов которых вполне могло такой шаг обеспечить.
Глава 8
Кембрийский взрыв:
600–500 миллионов лет назад
Семидесятилетний Чарльз Дарвин на фотографиях выглядит намного старше своих лет. В свои 70 Дарвин уже был на пороге смерти: донельзя измученный нападками многочисленных критиков и бесплодными поисками причин того, как организмы наследуют свои качества (генетика была признана наукой лишь в начале XX века, когда заново «открыли» работы Грегора Менделя). Невозможность объяснить природу кембрийского взрыва особенно повлияла на него — и морально, и физически Дарвин терпеть не мог ископаемые останки вообще и кембрийские ископаемые в частности. Кембрийские отложения досаждали ему до самой могилы. На смертном одре он, без сомнения, более всего сожалел о неразгаданной тайне кембрия и непонимании генетических законов.
Еще до появления трудов Дарвина было хорошо известно, что ископаемые отпечатки животных появляются в геологической летописи довольно внезапно. Великий английский геолог Адам Седжвик, первооткрыватель кембрийского периода как такового, отмечал начало этого периода по слою, в котором появляются первые трилобиты. Хотя мы и представляем геологические периоды как временные отрезки, на самом деле они проявляются как последовательность слоев, дно которых отмечается первым появлением каких-либо ископаемых, а верхняя часть — либо исчезновением определенных ископаемых, либо (что лучше) первым появлением новых организмов. Такова и кембрийская система. Кембрийский период — это время, когда накапливались именно кембрийские ископаемые, ни больше ни меньше.
Седжвик установил, что в течение геологически кратких отрезков времени относительно бедные по наличию ископаемых осадочные породы перемежались породами, демонстрирующими настоящее изобилие хорошо просматриваемых окаменелостей, самыми частыми из которых были трилобиты. Трилобиты — ископаемые членистоногие, а значит, свидетельствуют о высоком развитии и усложненности уровня животных. Это наблюдение было особо досадным для Дарвина (и очень приятным для его критиков), поскольку являлось настоящей пощечиной для только-только представленной к обсуждению теории эволюции [105] .
105
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора: В 2 кн. / Пер. с англ. К. Тимирязева; под общ. ред. Н. Вавилова — М.: ТЕРРА-Книжный клуб, 2009. В Вашингтоном университете мы требовали от студентов прочитать эту книгу, если те записывались на курс Новой истории происхождения жизни.