скачать книгу бесплатно
Поскольку границы проводятся по появлению фауны, то не стоит удивляться, что почти каждый период заканчивался вымиранием. Многим это представляется просто каким-то проклятием: «Да что ж такое?! Только кончится период, как все вымирают!» На самом деле, логика проста: возникновение новых групп обычно вызвано сменой условий, да к тому же новичкам необходимы свободные экологические ниши, а освобождение таковых обычно происходит из-за вымирания, которое, конечно, вызвано той самой сменой условий.
Понятно, что живых существ сонмы, эволюционировали они не слишком синхронно, на чьи проблемы надо обращать больше внимания – вопрос философский. Проводились даже эксперименты, когда одни и те же образцы, скажем, границы мезозоя и кайнозоя, предоставлялись разным исследователям для анализа. Результат был забавен: учёные, обращая внимание на разные окаменелости, проводили границу эр в разных местах стратиграфической колонки. Конечно, разница была не слишком принципиальная, но всё же расхождение на сотни тысяч и даже миллионы лет не так уж мало. А речь, между прочим, про то самое знаменитое позднемеловое вымирание, когда на планете исчезли динозавры, якобы из-за падения астероида.
Ясно, что в разных частях планеты фауна могла меняться неодновременно, руководящее ископаемое могло возникнуть в одном месте, а спустя миллионы лет мигрировать в другое, ставя под сомнение наши представления о синхронности отложений. Поэтому в настоящее время всё большее внимание уделяется физическим методам – палеомагнитным, хемостратиграфическим и палеоклиматическим.
Те же причины виной расхождению международной и региональных стратиграфических шкал. Планета велика, изменения климата сказывались в разных местах неодновременно и сильно неодинаково, флоры и фауны в разных местах не совпадают, так как в одних регионах могли вымирать, а в других – ещё долго сохраняться. Например, нижняя граница касимовского яруса по международной шкале проводится в основном по смене фораминифер и конодонтов, а в российской ещё и по аммонитам, отчего граница смещается в древность. Роудский ярус международной шкалы в российской называется казанским, а вордский – уржумским, причём в международном варианте выделяется по конодонтам, а в российском – по остракодам и конодонтам, но уже другим; дело ещё и в том, что международная шкала основана на морских отложениях, а в России для пермского периода преобладают континентальные.
Иногда целые ярусы кочуют из эпохи в эпоху: такое происходило, например, с датским, который из позднего мела отправился в палеоцен, приабонским, который из олигоцена уехал в эоцен, гелазским, который из плиоцена перекочевал в плейстоцен.
Иногда сказываются и патриотические настроения геологов и палеонтологов. Так, кептенский ярус международной шкалы у нас зовётся северодвинским, вучанский – вятским, гваделупская эпоха – биармийской, а лопинская – татарской. В США своя гордость: американские учёные упорно разделяют классический каменноугольный период на миссисипский и пенсильванский (обидно же, что почти все названия шкалы были даны в XIX веке по европейским областям с типовыми местонахождениями, и более того – о ужас! – российским, а Америка опоздала на раздачу красивых наименований). Долгое время во всём мире это игнорировалось, пока в 2000 году американские геологи не пропихнули миссисипий и пенсильваний в международную шкалу в качестве хотя бы подсистем. Совсем отдельная таксономия сложилась в Южной Америке – как в силу геологической и палеонтологической специфики, так и длительной изоляции местных учёных.
Особенно серьёзны расхождения международной и региональных шкал в части подразделения докембрия. Его неустаканенность вызвана малым количеством хороших местонахождений, крайней редкостью и спорностью ископаемых, да и немногочисленностью заинтересованных исследователей. Даже на уровне выделения эонов и эр тут до сих пор, как уже упоминалось, царит полный бардак. Международная шкала докембрия имеет более удобную и унифицированную номенклатуру, чем российская, но границы проведены гораздо формальнее – время просто нарезано на более-менее равные отрезки. Российская выглядит несколько кособокой (рифейский эон является частью позднепротерозойского эона, что само по себе странно; он делится на три эры без периодов и эпох, тогда как остаток позднего протерозоя – вендский период – не относится ни к какой эре, но делится на две эпохи), зато границы в ней гораздо более обоснованы стратиграфически, так как в нашей огромной стране полно отличных и прекрасно изученных разрезов. Китайцам же, понятно, больше нравятся термины «синийский период» и «синийская эра», хотя их границы достаточно неопределённы.
Всё же учёные разных стран пытаются договориться между собой. Созываются международные геологические конгрессы и симпозиумы, собираются комиссии, издаются решения. Ясно, что «международность» – понятие относительное, решения принимают конкретные люди, имевшие опыт исследования конкретных разрезов и специализирующиеся на конкретных группах организмов, но главное – работа идёт. Для взаимопонимания необходимо согласие и сотрудничество; важно, что палеонтологи стремятся к этому.
В нашей книге речь пойдёт про всю планету, так что повествование будет построено на основе международной шкалы.
Немало сложностей вызывает датирование границ эпох. Для некоторых моментов эти цифры определены достаточно точно, а некоторые находятся под сомнением. Например, до сих пор нет внятной границы между юрой и мелом, хотя, казалось бы, как такое может быть – самые известные периоды и до сих пор не разграничены?! В любом случае важно отметить, что датировки расставляются от нашего времени. Классической ошибкой неспециалистов является автоматическое добавление к дате присказки «до нашей эры». «Наша эра» началась чуть больше двух тысяч лет назад (посмотрите на календарь), но в масштабах десятков и сотен миллионов эта пара тысяч – вообще ни о чём, гораздо меньше погрешности методики определения возраста.
* * *
Дрейф материков – мощнейший процесс, во все времена влиявший на эволюцию жизни на Земле. Сходство очертаний краёв Африки и Южной Америки замечали давно – ещё А. Гумбольдт и Е.В. Быханов, но эти мысли долго не получали развития. Лишь в начале XX века идею поднял А.Л. Вегенер, а чуть позже довёл до ума А. Холмс. В доказательстве реальности материкового дрейфа палеонтология сыграла немалую роль. Древние животные Южной Америки, Африки и Индии оказались необычайно схожи, несмотря на современное разделение этих областей. Более того, такие же чуть позже нашлись и в Австралии и даже в Антарктиде. Да и современные фауны южного полушария имеют ряд явно неслучайных соответствий. В северном полушарии есть свои сходства. За географией и биологией подтянулась и геология, так что в настоящее время известны не только последовательность и направления схождений-расхождений, но даже скорость движения материков.
Кора планеты состоит из множества отдельных литосферных плит, которые вплотную притёрты друг к другу, но скользят по полурасплавленной магме мантии, которая, оставаясь как бы твёрдой, конвектирует: нагреваясь в глубинах, поднимается, остывает и вновь опускается, приводя в движение исполинские массы породы. Иногда литосферные плиты подныривают под соседние или, напротив, наползают сверху, проваливаются в магму, расплавляясь, или вздымаются к небесам грандиозными горными хребтами. На линии стыков недра могут сотрясаться землетрясениями и прорываться линиями вулканов, а в центральных областях плит сотни миллионов лет царит мир и покой. Понятно, что процесс этот крайне медленный, но и Земля существует четыре с половиной миллиарда лет, так что времени на самые разные комбинации хватало.
География менялась не только из-за движения земной коры. Вслед за солнечными и планетарными пертурбациями температура планеты колебалась, а вслед за этим закономерно увеличивалось или уменьшалось количество воды, свободной и скованной льдами. Уровень мирового океана гулял, огромные площади прибрежных низин то затапливались, то высвобождались из-под волн. Перенаправлялись течения и ветры, влажность внутренних областей росла и падала, а живые организмы добавляли преобразований, формируя, разрушая и закрепляя геологические породы, что вело к усилению или ослаблению поступления микроэлементов в океан, отчего фито- и зоопланктон преображался и влиял на атмосферу.
И вот на этом грандиозном фоне жили и развивались наши предки, каждый раз отчаянно пытаясь не вымереть и обскакать конкурентов. И всё это – наша история, всё это изучает палеонтология.
Статиграфическая шкала
Часть I
Докембрий: ночь, рассвет
Гадей, или Катархей
4,6–4,0 миллиарда лет назад: Появление жизни
Гадей – первые полмиллиарда лет существования планеты, от которых до нас дошли только эфемерные флюиды. Свежая Земля не была похожа на ту планету, к виду которой мы привыкли: сутки по 10 часов, огромная кривая Луна на небе, ядовитая атмосфера и совсем иные горные породы. Тем не менее, именно условия молодой Земли задали все наши особенности, химический состав наших тел, потребности и границы возможностей.
* * *
Первые этапы существования планеты покрыты непроглядным астрономическим мраком. В нашей Солнечной системе нет формирующихся планет, а про инозвёздные мы пока знаем слишком мало. Общая космология гласит, что для нашего появления необходимо бытие первых звёзд, образование в недрах красных гигантов тяжёлых элементов, взрывы сверхновых и разлёт элементов по Вселенной, собирание их в новые туманности, звёзды и планетезимали, формирование протопланетных дисков и слипание разрозненных ошмётков в планеты. Нашей Солнечной системе повезло: само Солнце не слишком холодное и не слишком горячее, а огромные планеты-гиганты на периферии защищают своей гравитацией внутренние области от астероидов и комет. Даже катастрофы были нам на пользу. Столкновение только что остывшей Протоземли с каким-то небесным телом размером с Марс оторвало огромный кусок, отлетевший в сторону и ставший Луной, которая с тех пор стала нашей дополнительной защитницей от астероидов. От удара ось Земли перекосилась, что стало залогом смены времён года. Вулканическая активность создала атмосферу, а вода из падающих комет и выделяющийся из мантии планеты водяной пар сконцентрировались в океанах.
Но это всё широкие мазки. Детали картины ускользают, ведь горные породы, из которых была сложена Первоземля, давно успели погрузиться в магму, расплавиться и преобразиться, снова застыв. За колоссальный срок даже элементный состав разных слоёв планеты успел поменяться. Нам только кажется, что планета твёрдая: в масштабе миллиардов лет она вполне жидкая. Тяжёлые элементы помаленьку погружаются в недра, а лёгкие, будучи вытеснены по закону Архимеда, всплывают наверх; самые лёгкие – свободный водород и инертные газы – не могут быть удержаны слабой гравитацией Земли и улетают в космос, в то же время космическая пыль притягивается и оседает на поверхность планеты. Древнейшие известные земные частицы – кристаллы циркона из Австралии с датировкой 4,404 миллиарда лет назад. Хитрые подсчёты возраста самых старых метеоритов показывают, что Земля сформировалась 4,567, 4,55 или 4,54 млрд л. н., то есть первые 150 миллионов лет напрочь выпадают из нашего знания. А ведь это – временной отрезок как от конца юрского периода до современности!
Тем не менее, что-то мы всё-таки знаем.
Судя по нынешним планетам-гигантам, первичная атмосфера Земли содержала много метана и аммиака, поменьше сероводорода, углекислого газа, простейших углеводородов и водяных паров. Кислород, выделявшийся из мантии в процессе дегазации и из воды фотодиссоциацией под действием ультрафиолета, тоже не задерживался, но не улетучивался и не скапливался, а окислял всё, что могло быть окислено.
В таких чудесных условиях и возникла жизнь.
Возникновение жизни из неорганических составляющих называется абиогенезом. В школе поныне проходят абиогенез на примере теории А.И. Опарина – Дж. Холдейна: согласно ей, жизнь самозародилась в «первобытном бульоне» в виде коацерватных капель, на которые воздействовали электрические разряды и ионизирующее излучение. Многочисленные эксперименты показали, что, действительно, в смеси, более-менее соответствующей первичной атмосфере и воде Земли, если стучать туда током или облучать ультрафиолетом, сами собой возникают аминокислоты и нуклеотиды, а если добавить немного серы (которая на Первоземле выкидывалась вулканами), то органика собирается в достаточно длинные цепочки.
Современные представления о происхождении жизни гораздо более сложны. Мы не полезем в эти дебри, тем более, что это уже сделано гораздо лучшими специалистами: все желающие могут прочитать чудесные книги Е.В. Кунина «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции» (2014 г.) и М.А. Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки» (2016 г.). Отметим только отрадный факт: все ключевые моменты возникновения живого из неживого уже расшифрованы и по частям воспроизведены в лабораториях. Правда, с нуля до целой клетки пока никто из экспериментаторов не дошёл, но и времени у исследователей было не так много, тогда как в оригинале на это ушли сотни миллионов лет.
Сейчас первые этапы преджизни называются «РНКовым миром», так как первыми действительно важными органическими молекулами были именно цепочки РНК. Аминокислоты тоже существенны, но астрономы обнаруживают их по спектрам даже в межзвёздных облаках. Кстати, тут кроется вечная ошибка неспециалистов: многим кажется, что органические вещества обязательно должны быть результатом жизнедеятельности организмов. Нет! Органические вещества – это соединения углерода обычно с водородом и частым включением также кислорода, фосфора, серы и прочих элементов. Это просто сложная химия, которая вполне может существовать сама по себе вне всякой связи с жизнью. И вот один из пиков этой сложности – молекулы РНК – стал основой жизни.
Важное свойство РНК – способность катализировать реакции. Это сейчас РНК известна больше как переносчик генетической информации, первоначально же не было никакой информации, были просто спонтанно образовывавшиеся молекулы, которые по-разному взаимодействовали. Вариантов РНК было множество, их и сейчас известны десятки. Неустойчивые комплексы разваливались, и мы про них ничего не знаем. Устойчивые же сохранялись, а в силу способности РНК слипаться с аминокислотами и катализировать друг друга увеличивались в числе и сложности. Это называется молекулярной эволюцией.
Замечательное свойство РНК – её большой размер и сложность. К тому же это полимер, который может иметь неопределённо большую длину, складываясь из нескольких типов стандартных кирпичиков – нуклеотидов (аденин, урацил, гуанин и цитозин). С одной стороны, это некоторым образом гарантирует её устойчивость и даёт много биохимических возможностей взаимодействия с белками, с другой – приводит к почти бесконечной изменчивости. А изменчивость – принципиальное отличие жизни от нежизни. Например, минералы тоже имеют много признаков жизни: они обмениваются веществом с окружающей средой, поглощают что-то извне, растут, размножаются. Но у них слишком малая изменчивость: кристаллическая решётка, какая бы хитрая она ни была, всегда воспроизводится по единому стандарту. Конечно, если кристалл в процессе роста натыкается на препятствие или включает в себя что-то инородное, он может изогнуться и искривиться, но принципиально решётка остаётся прежней. Правда, у минералов есть своя эволюция, связанная с упомянутой выше изменчивостью состава земной коры. В древности формировались одни минералы, потом возникали другие, сейчас такие уже не образуются, но появились иные. Однако всё это происходит чересчур медленно и пассивно, чтобы называться жизнью, вариантов очень мало, при одинаковых условиях происходят одни и те же реакции. Другое дело РНК: она имеет оптимальный баланс устойчивости и изменчивости, чтобы молекулярная эволюция поспевала за изменениями среды, в том числе вызванными реакциями, катализируемыми самой РНК.
РНК в итоге стала наследственным аппаратом, то есть хранителем информации, а белки – основой цитоплазмы, то есть главным веществом; а наследственный аппарат и цитоплазма – две из трёх главных основных составляющих живой клетки. Отсюда вырастают два определения жизни: «способ воспроизведения нуклеиновых кислот» и «форма существования белковых тел».
Однако самое ёмкое и всеобъемлющее определение жизни: автокаталитическая система высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях.
Одно из важнейших условий среды, в которой появилась жизнь – нестабильность. Была бы среда постоянна, ничего бы там не возникало, всё лежало бы, застывши навеки. Из состава современных организмов, их потребностей и сравнения существ разной степени продвинутости можно примерно прикинуть микроэлементный состав, температуру, кислотность и прочие показатели места, где возникла жизнь.
Вариантов не так уж мало. Это могла быть «маленькая тёплая лужица» (о которой писал ещё Ч. Дарвин в 1871 г.), глубоководная впадина около вулкана, «чёрный» (с сульфидами, в том числе с железом) или «белый» (с окислами кремния, минералами бария и кальция, сульфатами и карбонатами) «курильщик», щелочной источник с микрополостями с полупроницаемыми стенками в минеральных постройках, алюмосиликатная глина, грязевой вулкан, гейзер, фумарола. Каждая из версий имеет слабые и сильные стороны, у каждой есть сторонники и противники. Например, версия с океаном хороша химически, но есть сомнения, существовали ли тогда уже океаны? Версии с грязевыми вулканами и гейзерами хорошо согласуются с данными о самых примитивных бактериях и археях, но возникает вопрос: как они могли противостоять мощнейшей радиации, которой тогда подвергалась планета без магнитного поля и озонового слоя? Вариант с глиной хорошо решает проблему закрепления неустойчивых комплексов, но откуда тогда такая зависимость жизни от воды? Впрочем, все эти проблемы принципиально решаемы. Самое смешное, что учёные придумали уже так много способов появления жизни, что становится совсем не странным, что она таки возникла каким-то одним из них.
Один из важнейших этапов появления клетки – обретение мембраны. Возможно, изначально комплексы РНК и белков ютились в микрополостях минералов и лишь потом обрёли липидную оболочку. Не исключено, что мембраны были изобретены вообще вирусами – паразитами, неизбежно появившимися сразу после возникновения надёжных репликаторов, то есть комплексов, способных самовоспроизводиться. С другой стороны, возможно, А.И. Опарин был не так уж далёк от истины и органические молекулы с самого начала варились в коацерватных каплях.
Мембрана – последняя из трёх принципиальных частей клетки, создающая градиент концентрации между внутренним содержимым и внешней средой. Она обеспечивает запас потенциальной энергии: сначала клетка с затратой энергии закачивает что-то внутрь или выкачивает наружу против градиента концентрации, тем самым создавая напряжение, а потом, когда нужно, в мембране открываются каналы, вещество со страшной силой устремляется по градиенту концентрации, высвобождая кинетическую энергию, которая может быть использована на мирные цели. Если же концентрация веществ по обе стороны мембраны полностью сравняется, движение прекратится, наступит термодинамическое равновесие, тишь да благодать – клетка умрёт.
Вероятно, уже после возникновения клеточной структуры появилась ДНК. Впрочем, есть версия, что ДНК была изобретена вирусами, то есть неклеточными паразитами. Независимо от родословной, ДНК за счёт своей двойной спирали оказалась гораздо более устойчивой и надёжной, чем РНК, так что в качестве хранителя наследственной информации абсолютно преобладает среди современных живых существ (впрочем, существуют и чисто РНКовые бактерии и вирусы).
Как бы то ни было, где-то в тёмные катархейские времена на планете возник «Лука»[1 - LUCA – англоязычная аббревиатура от «last universal common ancestor» – «последний универсальный общий предок».]. Его существование вытекает из принципиального сходства всех современных живых существ и универсальности генетического кода (который, правда, не идеально универсальный, но исходно был всё же единым), а особенности восстанавливаются путём сравнения разных организмов. Так, из отличий архей и бактерий можно понять, что у Луки уже была ДНК, но не было системы репликации ДНК, причём тимина тоже не было, а ДНК содержала урацил. Мембрана имелась, но не такая, как у современных организмов; возможно, Лука был больше похож на блин, а не на шарик. Вероятно, одного-единственного Луки, в общем-то, и не существовало, а было много изменчивых альтернативных версий, бурно эволюционировавших и щедро менявшихся обрывками генов путём горизонтального переноса. Планета велика, условий на ней много, потребности и сложности везде были разные, так что Лука мог быть не одной клеткой, а огромным сообществом.
Маленькая тонкость
Отдельный вопрос, неизбежно встающий при обсуждении абиогенеза: может ли жизнь возникнуть снова? С одной стороны, условия на планете капитально поменялись, так что в том же варианте второе появление крайне маловероятно. С другой стороны, в новом исполнении – почему бы и нет? Главная проблема – жизнь уже существует. Так что, возникни некий новый вариант первожизни заново, уже имеющиеся существа с удовольствием слопают его, не поморщившись. Не исключено, что так уже не раз происходило, кто знает?
* * *
Гадей задал нам условия жизни. В это время возникли основы основ – РНК и ДНК, белки и воспроизведение первых биологических комплексов и, возможно, первые клетки. Наша углеродная основа, зависимость от воды, азота и фосфора, ключевые принципы обмена веществ и вопроизводства, распространения информации – всё это наследие гадея, сплошное гадейство.
Альтернативы
Ход истории подчинён множеству случайностей. Всё могло пойти и не так. Небольшое изменение основных констант – и нашей Вселенной вообще не было бы. Или в ней были бы невозможны элементы тяжелее гелия. Чрезмерная гравитация могла бы не дать разлететься веществу, а слишком слабая не смогла бы собрать вещество в звёзды и планеты. Без планет-гигантов Земля была бы беззащитна перед астероидными дождями, без достаточного разогрева не было бы тектоники, без обилия железа в последующем не сформировалось бы ядро и магнитное поле. Момент появления самореплицирующихся молекулярных комплексов аминокислот и нуклеотидов тоже не обошёлся без великого везения, а без запасов первичного органического вещества, образовавшегося абиогенным путём, первым протоклеткам было бы нечем питаться. Миллионы подобных Земле планет могут оставаться навсегда безжизненными.
Свойства уже образовавшейся жизни тоже не предопределены. Генетический код мог оказаться иным, чисто химически он ничем не обусловлен, это результат случайности. Число нуклеотидов и аминокислот потенциально гораздо больше, чем есть в наших организмах. Жизнь могла возникнуть и не один раз на одной планете, и конкурирующие варианты с разными нуклеотидами, аминокислотными составами и генетическими кодами могли развиваться параллельно.
С другой стороны, при иных исходных условиях жизнь могла бы зародиться на основе совсем других химических элементов – кремния или азота. В недрах гигантских газовых планет типа Юпитера и Сатурна при огромном давлении и температуре азот потенциально может образовывать огромное количество соединений, вероятно, даже большее, чем углерод на Земле. Такая газовая жизнь принципиально отличалась бы от нашей; даже не факт, можно ли называть её жизнью. Проблема в том, что чисто физико-химически жители газовых гигантов не могут существовать даже в верхних слоях своей планеты, они ограничены потолком своего мира. Они не могут подняться над облаками и увидеть звёзды. Как им узнать, что они живут на планете, одной из миллиардов во Вселенной? И мы не можем опуститься в их обиталище – у нас нет материалов, способных выдержать такие условия и передать оттуда сигнал. Как нам узнать о существовании друг друга, как наладить контакт?
Архей
4,0–2,5 миллиарда лет назад: Заря жизни
МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКАЛА:
4 млрд л.н. – эоархей – 3,6 – палеоархей – 3,2 – мезоархей – 2,8 – неоархей – 2,5
РОССИЙСКАЯ ШКАЛА:
раннеархейский эон – 3,2 – позднеархейский эон: нижнелопийская эра – 3,0 – среднелопийская эра – 2,8 – верхнелопийская эра – 2,5
Архей – огромные полтора миллиарда лет, про которые мы очень мало знаем. В это время уже однозначно была одноклеточная жизнь, но только на уровне безъядерных организмов – архей и бактерий. Они оставили немного следов. Наша задача – по микроскопическим пятнышкам и полоскам на камнях понять, что творилось в древних морях.
* * *
Планета продолжала меняться. Предполагают, что на границе катархея и архея Земля была бомбардирована массой астероидов; по крайней мере в лунных кратерах застывшие породы имеют возраст 4,1–3,8 млрд л. н., наиболее вероятно – 3,85 млрд л. н. Возможно, именно из-за этого катаклизма сейчас на планете почти не осталось образцов катархейской коры. Есть даже версия, что первая жизнь была уничтожена «поздней тяжёлой бомбардировкой», а в архее зародилась новая; всё же более вероятно, что Лука и его потомки просто пережили катастрофу в нетронутых убежищах.
Как выглядела планета в архее, трудно представить. Палеогеографы предполагают, что примерно 3,6–3,1 млрд л. н. существовал единый суперконтинент Археогея, или Ваальбара, который развалился и 3–2,8 млрд л. н. пересобрался в континент Ур. Впрочем, эти построения крайне гипотетичны; не исключено, что Ваальбара и Ур – одно и то же, а может, одновременно с ними существовали и другие земли.
Погружавшееся в недра Земли железо образовало жидкое ядро, и в силу вращения 3,2–3,6 млрд л. н. возникло магнитное поле, уберегающее нас от губительной космической радиации. Без сомнения, это стало неплохим гарантом развития жизни, так как слишком частые нарушения структуры РНК и ДНК не позволяют формироваться устойчивым биохимическим комплексам. До этого жизнь была возможна лишь в хорошо защищённых местах, теперь могла выходить ближе к поверхности, так что в качестве типа питания стал возможен фотосинтез.
Это, кстати, великая проблема: какой вариант потребления вещества и энергии был первичным?
С одной стороны, гетеротрофный тип питания – использование готовой органики – биохимически проще, но откуда тогда бралась бы органика в таких количествах? Впрочем, она могла синтезироваться в достаточных объёмах сама собой из неорганики, как это происходило ещё даже до появления планеты, например, абиогенным фотосинтезом на сульфиде цинка.
Во-вторых, первыми могли быть хемоавтотрофы, существа типа современных архей, которые из неорганических веществ могут создавать органику, причём первичного ресурса хватало бы, чтобы существовать в таком режиме почти неограниченное время в полной изоляции. Показательно, что одни из самых архаичных современных существ – именно хемоавтотрофы, хотя они всё равно используют более сложные биохимические реакции, чем гетеротрофы.
В-третьих, изначальным типом питания мог быть и фотосинтез, подобный тому, что применяют современные цианобактерии. Этот вариант – самый сложный, непонятно, как бы он возник первым, однако древнейшие известные нам живые существа были, видимо, именно фотоавтотрофами.
Дрессер. Строматолиты из западной Австралии
А в архее мы знаем, собственно, первых живых существ. Древнейшие осадочные породы и древнейшие следы жизни найдены в разных местах: Нуввуагиттук (Канада, 3,77 – 4,3 млрд л. н.), Джек Хилл (Австралия, 4,1–4,4 млрд л. н.), Исуа (Гренландия, 3,7–3,8 млрд л. н.), Кунтеруна (Австралия, 3,515 – 3,52 млрд л. н.). В столь древних слоях обнаружены даже не отпечатки самих организмов, а следы их жизнедеятельности в виде изменения химии пород. Например, в Нуввуагиттуке это – лёгкий изотоп углерода в карбонатах, а также гематитовые микроволокна и трубочки, подобные тем, что образуются в результате жизни бактерий.
Древнейшие бесспорные прокариоты – безъядерные организмы – заметно моложе: Онвервахт (Южная Африка, 3,5 млрд л.н.), Дрессер, Норт Поул (Австралия, Пилбара, Варравуна, 3,47 3,496 млрд л.н.), Тауэрс и Маунт Ада (Австралия, Пилбара, Варравуна, 3,47 млрд л.н.). Кем были организмы, чьи отпечатки палеонтологи находят в камнях – точно неизвестно. Вроде бы они похожи на бактерий, но для столь малых и примитивных существ внешнее сходство ненадёжно – все они выглядят как цепочки из шариков. Часто предполагают, что это – отпечатки цианобактерий, но с большей вероятностью они могли быть анаэробными аноксигенными фотосинтетиками типа современных зелёных нитчатых бактерий Chloroflexus aurantiacus и зелёных серных бактерий Chlorobium limicola. Эти бактерии не затрачивают и не выделяют кислород, а именно это было важно в архее, когда свободного кислорода не было ни в воде, ни в воздухе, а у самих бактерий, соответственно, не существовало защиты от него. Кстати, такие бактерии снабжены не обычным хлорофиллом, а бактериохлорофиллом. Он может улавливать не только солнечный свет, но и гораздо более тусклое длинноволновое излучение гидротермальных источников, чем занимается, например, серобактерия GSB1 из тёмных глубин около Коста-Рики.
Впрочем, и цианобактерии возникли в том же архее, только, видимо, чуть попозже, ближе к 3 млрд л.н. или даже ещё ближе к современности – 2,7–2,5 млрд л. н. В любом случае древнейшие химические следы хлорофилла из серии Фиг Три в горах Барбертон в Южной Африке имеют возраст 3,2 млрд л. н. С этого момента началась новая жизнь. Первые цианобактерии, судя по различию генов и ферментов в разных современных классах, были анаэробами и не умели фотосинтезировать, но всё же научились – да ещё как! Самое важное, что цианобактерии изобрели оксигенный фотосинтез, то есть такой, при котором выделяется кислород. В последующем это стало залогом нашего появления.
Маленькая тонкость
Почему растения зелёные? Одним из первых назначений пигментов в клетках могла быть просто защита от губительного ультрафиолета. Но в последующем энергия поглощаемого света стала использоваться для синтеза углеводов. А свет бывает разный. Синие фотоны (физики возмутятся такой формулировкой, но что поделать – так короче и нагляднее) высокозаряженные, несут много энергии, но хорошего много не бывает, Солнце-то у нас жёлтое. Так что они вкусные, но их мало. Красные фотоны – низкозаряженные, зато их навалом, как всегда бывает с халтурой; их тоже хорошо использовать. Зелёные же фотоны и не сильно полезные, и не так уж их много, так что их можно не поглощать, а отражать. Отраженный свет попадает нам в глаз – и мы видим зелёное растение.
Важно, что даже самые первые известные живые существа уже жили сообществами. В палеонтологическом виде их находят в виде строматолитов – «слоистых камней». Сейчас строматолиты тоже существуют, они известны, например, у берегов Австралии и в Карибском море. Правда, в зависимости от конкретных условий местности бактерии на поверхности строматолита могут быть разными, но принципиальная суть у них одна.
Стандартный строматолит выглядит как круглый камень на ножке, стоящий неглубоко в воде и покрытый невнятной слизью. Слизь же бывает разная, но часто состоит из трёх слоёв. Самый наружный составлен бактериями-фотосинтетиками, которые используют свет для получения энергии, из окружающей воды берут, что им надо для жизни, перерабатывают это и гадят под себя. Во втором слое сидят бактерии, часто тоже фотосинтетики, так как сквозь первый слой какое-то количество света проходит; они используют то, что упало им на «головы», перехимичивают ещё разок и получают ещё немного энергии, а потом, ясно, гадят дальше. Третий слой самый несчастный, он сидит в темноте, а в том, что достаётся ему сверху, энергии уже совсем мало. Поэтому на выходе от бактерий третьего слоя получается совсем уж безыдейный осадок, который смешивается со всякой бесполезной грязью, оседающей из воды, и превращается в минеральный слой. После тысяч лет такой карусели получается слоистый булыжник, который, если его распилить, выглядит очень красиво.
В современных строматолитах первый слой обычно аэробный, то есть использует кислород для дыхания. Но бактерии архейских строматолитов не могли быть такими по той простой причине, что кислорода в воде и атмосфере почти не было. Другое дело третий, самый глубокий слой – ему, кроме прочего, должна была доставаться и неслабая доля кислорода, выделявшегося верхними фотосинтетиками в качестве отходов жизнедеятельности. Чтобы жить в таких зверских условиях, для начала надо было научиться защищаться от ужасного кислорода. После же какие-то самые ловкие жители подвала научились этот кислород использовать; правда, произошло это уже в протерозое.
Забавно, что кроме обычных строматолитов в докембрийских отложениях обнаруживаются и другие варианты микробных сообществ. Один из странных вариантов – онколиты, устроенные принципиально как строматолиты, но без прикрепительной ножки, шаровидные, с концентрической слоистостью. Как такое могло получиться – не вполне очевидно. Они не могли быть плавающими, ведь камень тяжелее воды. Обычно пишется, что онколиты свободно перекатывались по дну в прибойной зоне, но это тоже странно: отчего они нигде не застревали, и как бактерии не давились под весом камня и при ударах обо всё окружающее? Другое непонятное явление – катаграфии – карбонатные комки изменчивой формы, неслоистые, но с некой внутренней неоднородностью; видимо, это – результат жизнедеятельности колоний бактерий или водорослей, часть же может быть копролитами, хотя, конечно, это не относится к архейским формам.
Как вы там, потомки?
Представить, как выглядели типичные проявления жизни в архее, можно, посмотрев на дно и берега современных термальных источников, например, в камчатской Долине гейзеров или в вайомингском Йеллоустоне – там практически нет эукариот, зато полно бактерий и архей. Некоторые такие прокариотные сообщества очень красивы: жёлтые, оранжевые, переливающиеся в зависимости от того, какого элемента много в данной конкретной луже – серы, железа или чего-то ещё.
Мы не так много знаем о жизни в архее, но это не значит, что жизни тогда было не много. По некоторым оценкам, продуктивность даже раннеархейских экосистем была вполне сопоставима с современными. Выдвинуто предположение, что именно докембрийские бактерии – маленькие, да удаленькие – создали основные запасы нефти и природного газа, которыми мы до сих пор пользуемся как главными источниками энергии; впрочем, довендские породы слишком долго и сильно менялись, чтобы те залежи дошли до нас в исходном виде. В составе клетки прокариот липидов и липоидов больше, чем в эукариотах, а именно липиды и липоиды – основа нефти. В отсутствие эукариотической конкуренции археям и бактериям жилось вольготно, тем паче, что на свежей, только с пылу с жару, ещё не утрамбованной планете многие химические вещества были гораздо доступнее, чем сейчас.
* * *
В архее достоверно появились клеточная жизнь, фотосинтез и способность к симбиозу, которые стали залогом будущей многоклеточности. Понятно, что хорошо бы разделить все эти события по более подробным полочкам, но пока у нас катастрофически не хватает данных. В архее начали формироваться запасы углеводородной энергии, позволяющие нам строить нынешнюю цивилизацию, изучать прошлое и пытаться освоить другие планеты.
Альтернативы
Клеточная жизнь архея запросто могла застопориться в самом начале. Первые бактерии могли быстро израсходовать запасы абиогенной органики и вымереть, так и не научившись продуцировать новое вещество хемо- и фотосинтезом. Они могли не научиться взаимодействовать и организовываться в строматолиты. «Поздняя тяжёлая бомбардировка» могла стереть зачатки жизни и превратить планету в выгоревший полигон. Между 2,94 и 2,909 млрд л. н. произошло как минимум три оледенения, вероятно, были и другие. Каждое из них могло закончиться фатально для неокрепшей ещё жизни. Сколько возможностей пропасть! Как мал шанс выжить! Что сказать, наши предки – и, стало быть, мы – были очень везучи.
Протерозой
2,5–0,541 миллиарда лет назад: Половина истории жизни
МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКАЛА:
2,5 млрд л.н. – палеопротерозой: сидерий – 2,3 – рясий – 2,25 – орозирий – 1,8 – статерий – 1,6 – мезопротерозой: калимий – 1,4 – эктазий – 1,2 – стений – 1 – неопротерозой: тоний – 0,72 – криогений – 0,635 – эдиакарий – 0,541
РОССИЙСКАЯ ШКАЛА:
2,5 млрд л.н. – раннепротерозойский эон: нижнекарельская эра – 2,1 – верхнекарельская эра – 1,65 – позднепротерозойский эон: рифей: нижнерифейская эра – 1,35 – среднерифейская эра – 1,03 – верхнерифейская эра – 0,6 – венд: ранний венд – поздний венд
Протерозой – два миллиарда лет, половина истории жизни на планете и при этом – самая скучная половина. Полтора миллиарда лет до него в гадее и архее жизнь только появлялась и представляла собой в лучшем случае бактерий, после него полмиллиарда лет фанерозоя были самым весёлым и бурным временем. А вот протерозой подкачал. Смотря на его почти пустые толщи, становится грустно от сознания, что при зарождении жизни на любой планете наиболее вероятная её участь – именно такова. Склизкие бактериальные плёнки, в лучшем случае водоросли и нелепые живые блины. Нет никакой гарантии развития чего-то более приличного, нам невероятно повезло, что под конец этого тоскливого этапа жизнь всё-таки раскачалась и чуть погодя дошла до нас, способных осознать масштаб нашей удачливости.
* * *
Граница архея и протерозоя ознаменовалась завершением формирования континентальной коры и подъёмом континентов над водами морскими, что по-своему приятно, ведь это гарантирует большее количество отложений, доступных для исследования. Кроме прочего, это привело к распространению наземного вулканизма и изменению состава воды и атмосферы, так как подводные вулканы выбрасывают много сероводорода и железа, а наземные – больше оксидов серы. Раньше лёгкий сероводород улетучивался в атмосферу, а железо погружалось в воды океана, причём и газ, и железо окислялись, поглощая кислород. Теперь более тяжёлые оксиды железа взаимодействовали с водой, сероводород превращался в серную кислоту, всё это распадалось на водород, улетавший в космос, и серный анион, который растворялся в воде и взаимодействовал с болтавшимся там железом, которое в итоге осаждалось в виде пирита (то есть сульфида железа). Кислород высвобождался, да к тому же всё время добавлялся фотосинтезирующими цианобактериями. Какое-то время кислород ещё продолжал уходить на окисление всего подряд, но с некоторого момента стал накапливаться. По пути же сформировались крупнейшие месторождения железа в железистых кварцитах.
Одним из важнейших следствий стало формирование озонового слоя. Обычный молекулярный кислород в верхних слоях атмосферы, поглощая ультрафиолет, превращался в озон, а ультрафиолет, закономерно, не доходил до земли. Замечательно, что кислород поглощает самую злую часть спектра, наиболее опасную для нуклеиновых кислот. Благодаря этому жизнь смогла подняться ещё ближе к поверхности воды и донного осадка. Правда, существенно всё это сказалось уже к самому концу протерозоя.
В начале же кислород только накапливался. Процесс этот был, конечно, не мгновенный, но и не очень-то плавный. Довольно резко он ускорился между 2,4 и 2,1 млрд л. н. Показательно, что этот же интервал – 2,4–2,2 млрд л. н. – время гуронского оледенения, а само оледенение было частично вызвано ровно теми же процессами. Накапливавшийся из-за совокупной деятельности вулканов и фотосинтетиков кислород окислял метан, который до этого был главным парниковым газом, поднимавшим температуру планеты. Да и Солнце в то время ещё не раскочегарилось по полной и светило на четверть, а то и на треть слабее нынешнего. Плюс к этому части прежнего Ура между 2,7–2,6 и 2,5–2,4 млрд л. н. собрались в единый суперконтинент Моногею (известную также как Протогея и Кенорленд), перегородивший морские течения и нарушивший смешение воздушных масс на планете. Всё это, вместе взятое, и привело к мощнейшему оледенению, которое подкосило бытиё бактерий-метаногенов, что закономерно только усилило холода, так что средняя температура на планете стала примерно -40 °C. Конечно, так это выглядит при изображении широкими мазками, в реальности гуронское оледенение было не единым, профессиональные геологи говорят во множественном числе – «гуронские оледенения», но пока мы не настолько подробно знаем историю, чтобы точно выделить определённые моменты и даже точно посчитать их, главных ледниковых периодов насчитывается не то три, не то четыре. Можно также упомянуть, что в позднеархейском гляциогоризонте группы Мозоан Южной Африки видно четыре пласта ледниковых отложений, а в раннепротерозойском грикватаунском ледниковом горизонте – свите Диамиктиты Макганиене – шесть.
2,3–2,1 млрд л. н. Моногея распалась на множество кусков, наступило потепление; чуть позже – 2,08 – 2,06 млрд л. н. – содержание кислорода в атмосфере немножко спало. География продолжала меняться: 1,8–1,5 млрд л. н. из осколков Моногеи (среди которых самым большим была Атлантика – слипшиеся Южная Америка и Африка), слепился новый суперконтинент – Мегагея (Нуна, Колумбия, или Хадсонленд), 1,4 млрд л. н. она тоже развалилась, а 1,1–1,0 млрд л. н. собралась Мезогея (Родиния), которая 800–750 млн л. н. раскололась на Лавразию на севере и Гондвану на юге, которые 650 млн л. н. продолжили дробиться дальше. Ясно, что за такие немеряные отрезки времени чего только не происходило, проблема в том, что знаний у нас очень мало.
К середине раннего протерозоя – около 2 млрд л. н. средний уровень кислорода, несмотря на колебания, поднялся настолько, что разразилась кислородная катастрофа. Для живших до этого анаэробов кислород был ужасным ядом – и подавляющая часть беззащитных созданий вымерла. Парадокс в том, что фотосинтетики сами уничтожили свою среду обитания, загадили мир кислородом и отравили себя. В этих условиях, как уже упоминалось, на коне оказались бывшие отщепенцы из нижнего слоя строматолитов, которые научились сначала защищаться от кислорода, а потом и использовать его. И это стало их триумфом. Как часто бывает, революция происходила несколькими параллельными путями. Например, сравнение дыхательных ферментов цианобактерий классов Sericytochromatia, Melainabacteria и Oxyphotobacteria (впрочем, иногда их классифицируют совсем иначе) показывает, что они изобрели кислородное дыхание независимо трижды.
Счастливые обладатели кислородного синтеза, или аэробного дыхания, совершили рывок из грязи в князи. При окислении выделяется много энергии: чтобы в этом убедиться, достаточно что-нибудь поджечь и сунуть в огонь палец – вот она, мощь окисления! Вопрос только в том, как обуздать эту бездну энергии. Те, кто первые смогли зарегулировать новый источник силы, получили огромное преимущество: теперь они могли создавать гораздо больше органических веществ за меньший отрезок времени. А это позволило кооперироваться. А это стало залогом появления эукариот, то есть клеток с ядром.
* * *
Ядерные организмы возникли 2,1–1,9 млрд л. н. (по самым смелым оценкам даже 2,7 млрд л. н., но это вряд ли). Судя по составу генов современных существ, эукариоты стали своеобразными химерами-матрёшками, включившими в свой состав много компонентов. Большая часть ядерных генов и цитоплазма достались нам от анаэробного архейного предка, а митохондрии и (у самых везучих) пластиды – от аэробных бактерий. Обычно упрощённо это преподносится так, что то ли некая архея съела бактерий, но недопереварила, то ли бактерии были внутриклеточными паразитами, а архея заизолировала их в вакуоли. В последующем бывшие цианобактерии, а ныне пластиды стали использоваться как генераторы глюкозы, а альфапротеобактерии – митохондрии – как производители АТФ. При этом те и другие сохранили кольцевую ДНК и собственные бактериальные рибосомы, а у глаукофитовых водорослей пластиды-цианеллы имеют даже муреиновую клеточную стенку, типичную для бактерий.
Сейчас митохондрии нужны нам как органеллы, которые умеют с использованием кислорода производить АТФ, то есть батарейку – отличный переносчик энергии. Изначально же, скорее всего, они просто поглощали ужасный кислород и тем защищали архейную клетку от отравления. Потом оказалось, что при утилизации яда выделяется немало энергии, которую можно использовать на мирные цели. Митохондрии у всех эукариот одинаковые, так что были включены в наш состав лишь однажды.
Как вы там, потомки?
С пластидами сложнее – они были обретены как минимум дважды: некими зелёными водорослями и отдельно амебоидом Paulinella. Далее пластиды бурно эволюционировали, так что сейчас существует великое их разнообразие, из которого каждому школьнику близки, конечно, хлоропласты. Довольно быстро возникли красные водоросли, а после пластиды передавались от одних эукариот другим путём вторичного и третичного эндосимбиоза, когда новые халявщики поглощали уже эукариотические красные и зелёные водоросли или даже тех, кто поглотил их до этого, образуя хитрые матрёшки, из которых самой замечательной является, конечно, динофлагеллята Durinskia, включающая в себя как минимум пять организмов. Кроме того, сейчас известна масса существ, в которых цианобактерии и водоросли живут как симбионты, но ещё не достигли такой степени консолидации с хозяином, чтобы называть их пластидами: лишайники; золотые медузы Mastigias papua и лунные медузы Aurelia с водорослями-зооксантеллами Symbiodinium; черви-турбеллярии Convoluta с зоохлореллами; слизни Elysia chlorotica, поедающие водоросли Vaucheria litorea и оставляющие себе их хлоропласты (причём геном слизня кодирует некоторые белки, необходимые хлоропластам для фотосинтеза); моллюски тридакны с зооксантеллами и многие прочие. Некоторые пластиды, напротив, эволюционировали намного дальше: у динофлагелляты Kryptoperidinium они превратились в светочувствительный глазок, у споровиков Toxoplasma gondii и Plasmodium falciparum стали апикопластами – синтезаторами жирных кислот.
На самом деле, всё было ещё чуточку хитрее. В нашем ядерном геноме есть гены, кодирующие бактериальные белки, но они не митохондриальные и не пластидные. Похоже, наш предок был горазд хватать всех подряд и приспосабливать к своим надобностям. Была даже версия, что жгутики – это тоже наполовину переваренные бактерии, от которых сохранился лишь «хвостик»; впрочем, при дальнейшем изучении бактериальный и эукариотический жгутики оказались слишком различными; а жаль, гипотеза была красивая.
