Разговоры с таксистами о жизни и устройстве Вселенной - Чарльз Кокелл

океанах, пристроились на суше и грызли камни глубоко под землей. Но потом случилось кое-что невероятное, – объяснял я. – Микроб нашел нечто фантастическое. Живые организмы научились использовать воду для удовлетворения своих энергетических потребностей.

Видите ли, в воде спрятаны электроны, которые организм теоретически может использовать для сбора энергии. Но для их использования требуется некая химическая магия. Во-первых, нужно расщепить молекулы воды, чтобы добраться до этих электронов, а это нелегко. Для этого требуется специальный катализатор. Затем сами электроны должны быть подпитаны с помощью солнечного света. Потребовалась определенная генетическая перегруппировка, чтобы сформировать необходимые химические цепочки для использования электронов, которые были бы довольно слабыми без солнечной энергии. Это может объяснить, почему жизнь не могла продвинуться в решении этой проблемы на протяжении миллиарда лет – просто потребовалось много времени, чтобы случай сделал свое дело и произошло правильное биохимическое волшебство, чтобы породить бактерии, использующие воду и питающиеся солнечным светом. Новые существа были первыми организмами, использующими фотосинтез и вырабатывающими кислород. С помощью воды и солнечного света они смогли расти и размножаться по всей планете.

Мой водитель внимательно слушал.

– А почему именно вода? – спросил он. – Потому что она повсюду, да? И поэтому ее легко использовать?

– Как и солнечный свет, – кивнул я и продолжил свой рассказ.

Пока вы на поверхности планеты, солнечный свет есть повсюду. Что касается воды, то ею покрыто около трех четвертей Земли. Все эти океаны, озера, реки и пруды гарантируют, что вода гораздо более плодовита, чем пузырьки сероводорода или водорода, которыми раньше ограничивалась жизнь. Эти древние источники энергии не были такой уж редкостью, но, чтобы их получить, нужно было находиться рядом с вулканическим бассейном или глубоким жерлом, откуда просачивались газы. В противном случае кто-то мог поглотить их раньше. Но вода есть повсюду.

Как только первый организм, способный к фотосинтезу, обнаружил этот фокус, он стал вне конкуренции. Микробы, питающиеся газами, сохранились, но не могли сравниться с организмом, для которого весь мир стал бесплатным перекусом. Очень быстро эти новые микробы, цианобактерии, распространились по всем водоемам, встав на путь эволюционного величия. Цианобактерии образовали альянс с другими клетками, которые поглотили их и образовали водоросли. Со временем водоросли превратились в растения, в розы и малину, завоевав сушу. Каждое зеленое существо, питающееся солнечным светом, которое вы видите на суше и в море, обязано своим существованием сделанному миллиарды лет назад открытию, что вода может быть источником электронов. Однако вернемся во времена, когда цианобактерии были всего лишь одним из видов одноклеточных существ, занимавшихся своими делами, а именно: размножением, распадом, обменом веществ.

– И вот что интересно, – сказал я таксисту. – Эти новомодные существа не были просто еще одним микробом. Разлагая воду и собирая солнечный свет для удовлетворения своих нужд, они, как и все мы, производили отходы. И эти отходы представляли собой газообразный кислород. В маленьких озерах и на поверхности океанов начал накапливаться газ – тот самый кислород, который мы знаем в наши дни.

Этот процесс накопления занял много времени, отчасти потому, что газообразный кислород имел обыкновение испаряться. В ранней атмосфере, все еще полной реактивных вулканических соединений, кислород сохранялся недолго: он вступал в реакцию с другими газами, такими как метан и водород, и таким образом исчезал из атмосферы. Даже железо в океанах имело обыкновение поглощать кислород. Выделяющие кислород микробы занимались своими делами, практически не оказывая влияния на окружающий мир.

Эта моя поездка на такси сама по себе напоминала путешествие во времени к этому раннему периоду молодой Земли. Каждая миля до дома равнялась примерно миллиарду лет истории планеты: когда мы выехали за ворота тюрьмы, Земля только что сформировалась; на Джорджи-роуд микробы научились расщеплять воду; когда мы доехали до Хеймаркета, начало происходить накопление кислорода, наша планета становилась пригодной для жизни животных.

Но, может, это просто сказки? Откуда мне знать, что история, которую я рассказываю своему водителю, – правда? Ответ: надо совершить путешествие во времени. То есть нечто в этом роде. Нет, у меня на самом деле нет машины времени, но геологи могут совершать такие путешествия на свой манер. Они могут раскапывать скалы и смотреть, какие минералы существовали на бурлящей, покрытой кратерами ранней Земле. Эти минералы содержат информацию о том, какие газы находились в атмосфере, поскольку минералы ведут себя по-разному в зависимости от того, воздействию каких газов они подвергаются. Например, когда камни подвергаются воздействию кислорода, они имеют тенденцию образовывать так называемые оксиды. По сути, камни ржавеют. Кислород жадно поглощает камни, изменяя их так же, как металл в вашем велосипеде.

Теперь о путешествии во времени. С течением времени окисленные минералы погребаются под зыбучими песками поверхности Земли. Когда миллиарды лет спустя геологи их выкапывают, камни становятся капсулами времени. Их можно исследовать, чтобы увидеть, какие газы окружали их давным-давно, что расскажет нам много нового о том, что происходило на нашей планете в ее «молодости». В числе прочего мы узнали, что окисленные минералы возрастом в два с половиной миллиарда лет в большом количестве нигде не встречаются. Напротив, распространенные минералы того времени были именно такими, какие можно было ожидать в атмосфере с низким содержанием кислорода. Другими словами, в образцах, которые мы выкапываем глубоко под землей, известных в данном случае как прокси, мы находим очень мало окисленных пород возрастом более двух с половиной миллиардов лет, но гораздо больше – позднее этого периода. Из этого мы знаем, что на ранней Земле практически не было кислорода, который мы сейчас воспринимаем как само собой разумеющееся.

Этот кислород появился позже благодаря еще одному важному событию. Напомним, что пока цианобактерии производили кислород, атмосфера и железо в океане поглощали этот газ. Однако со временем реактивные химические вещества, связывающие кислород, были израсходованы; они больше не могли захватывать весь кислород для себя. Таким образом, остатки начали накапливаться в воздухе. Не обращающие на это внимания цианобактерии продолжали производить газ, где бы они ни оказались. Довольно скоро в атмосфере накопилось большое количество кислорода.

Не хочу, чтобы у вас сложилось впечатление, что все было вот так просто. Если бы это было так, наши геологические свидетельства выглядели бы совсем иначе, чем есть на самом деле. Если бы в этой истории не было чего-то большего, чем то, что я изложил выше, то мы бы увидели очень постепенное насыщение атмосферы кислородом, поскольку реакции фиксации кислорода замедлялись и микробы постепенно выделяли бы в воздух больше газа. Но это не то, о чем нам сообщают прокси. Напротив, рост содержания кислорода, по-видимому, был быстрым, по крайней мере с геологической точки зрения. Земля быстро превратилась из планеты со скудным содержанием