Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

Метеориты и наша планета сформировались из одного и того же изначального вещества, но в результате соотношение различных элементов (в том числе урана и свинца) в каждом из них оказалось различным. Сравнив количество изотопов урана и свинца в земных породах и в метеоритах, таких как метеорит из Аризонского кратера, Паттерсон определила возраст Земли — 4,55 млрд лет.

Почему между рождением Земли и формированием ее самых древних пород лежит промежуток в 500 млн лет? Геологи выяснили — отчасти при помощи методов датирования геологических пород, — что Земля постоянно разрушает собственную кору и создает на ее месте новые породы. Более того, на самом деле кора нашей планеты представляет собой совокупность дрейфующих плит. Магма поднимается из глубин Земли и добавляет новые породы с одного края плиты, а другой край при этом уходит вниз, под соседнюю плиту. По мере погружения в недра планеты породы на этом краю разогреваются и частично плавятся. Любые окаменелости (если таковые встречаются в этих породах) гибнут вместе с ними.

Материки — плавучие острова пород низкой плотности, верхушки подвижных плит. Когда одна литосферная плита уходит под соседнюю плиту, материк не обязательно затягивает вниз вместе с ней. Если породе повезет оказаться в глубине материка, она может остаться наверху и избежать погружения в огненные глубины — вместе с окаменелостями и другими свидетельствами истории жизни на Земле, что в ней содержатся. Скалы Акасты — именно такая геологическая диковинка.

Часов много, история одна

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 — углероду-14, период полураспада которого составляет всего 5700 лет. По этим часам можно довольно точно определять время в пределах последних 40 000 лет.

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 частью почвы; потоки воды смывают почву в океан, частицы оседают на дно и становятся осадочными породами. И даже эти породы, в которых углерод, принимавший участие в метаболизме жизни, составляет лишь часть, сохраняют низкий уровень С-13. А в любых осадочных породах, сформировавшихся до появления жизни на Земле, уровень вулканического С-13 будет высоким.

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 углеродные 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.