За удивительно короткий срок после открытия радиоактивности физики разработали методы определения возраста горных пород на основании скорости распада радиоактивных элементов. Все горные породы состоят из соединений химических элементов, причем некоторые химические элементы присутствуют в виде смеси изотопов (атомов одного и того же элемента с разным количеством нейтронов в ядре). Существуют нестабильные (радиоактивные) изотопы: они постоянно, хотя и медленно, распадаются с образованием новых, более легких элементов. Время, за которое разлагается половина ядер таких изотопов, называется периодом полураспада. Элементы в составе каждой горной породы изначально содержатся в определенном изотопном соотношении, поэтому в результате распада некоторых изотопов это соотношение постепенно меняется. Измеряя этот показатель, геологи научились рассчитывать время, прошедшее с момента формирования породы. Этот метод называют радиоизотопным (радиометрическим) датированием.
В 1907 г. американский химик Бертрам Болтвуд опубликовал результаты радиометрического анализа 26 горных пород, одна из которых, по его мнению, имела возраст 570 млн лет. По мере усовершенствования радиоизотопных методов возраст самой старой породы Болтвуда увеличился до 1,3 млрд лет. Другие геологи находили еще более старые породы. В частности, на Цейлоне был обнаружен минерал возрастом 1,6 млрд лет. К середине XX в. большинство ученых сошлись во мнении, что возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет. Однако, даже когда Опарин начал работать в Москве, многие ученые уже понимали, что Земля гораздо старше, чем представлялось 100 лет назад.
Оставался открытым вопрос, когда на Земле появилась жизнь. Хаксли утверждал, что абиогенез был чрезвычайно редким явлением, из разряда тех, что происходят лишь однажды и при исключительном стечении обстоятельств. Вполне возможно, что на протяжении почти всего времени своего существования Земля оставалась безжизненной. Казалось, о том же говорили имевшиеся на тот момент палеонтологические данные.
В первой половине XIX в. геологи имели дело только с теми окаменелостями, которые оказались на поверхности Земли в результате идеальных геологических условий; это, в частности, относилось к находкам Дарвина с вулканического острова Святого Иакова. Промышленная революция изменила ситуацию. При строительстве каналов, соединявших британские порты и угольные шахты с внутренними промышленными центрами, открывались глубокие и чистые срезы пластов, сложившихся за невероятно продолжительное время. Ученые видели, что какие-то окаменелости всегда обнаруживаются только в строго определенных слоях породы. Они еще не знали возраста этих слоев (такая информация стала доступна лишь с появлением методов радиометрического датирования), но понимали, что одни слои старше, а другие моложе.
В конечном итоге ученые разделили временной интервал, представленный в виде разных геологических слоев, на два длинных периода. Более короткий и более новый период стали называть фанерозойским эоном (от греч. phaneros – явный и zoe – жизнь, «время видимой жизни»). Фанерозой, в свою очередь, подразделяется на более короткие геологические периоды, самый старый из которых был назван кембрийским периодом (по предложению Адама Седжвика этот период получил название в честь латинского названия Уэльса, где были обнаружены многие из первых образцов, относившихся к данному периоду). Фанерозою предшествовал более старый и значительно более долгий период с менее оригинальным названием – докембрийский эон.
Когда Дарвин писал книгу «О происхождении видов», в распоряжении ученых имелись окаменелости, относившиеся только к фанерозойскому эону, который, как известно сейчас, охватывает лишь 15% истории Земли. Вот что писал Дарвин по этому поводу: «Если эта теория верна, не может быть сомнения в том, что, прежде чем отложился самый нижний кембрийский слой, прошли продолжительные периоды, столь же продолжительные или, вероятно, еще более продолжительные, чем весь промежуток времени между кембрийским периодом и нашими днями, и что в продолжение этих огромных периодов мир изобиловал живыми существами. <…> На вопрос, почему мы не находим богатых ископаемых отложений, относящихся к этим предполагаемым древнейшим периодам, предшествовавшим кембрийской системе, я не могу дать удовлетворительного ответа». Ответ был найден примерно через полстолетия на другой стороне земного шара, в США, где работал молодой геолог Чарльз Дулиттл Уолкотт, ставший самым знаменитым в мире охотником за окаменелостями.
Уолкотт вырос в Род-Айленде, у него не было отца, он не окончил среднюю школу и ни дня не проучился в университете. В подростковом возрасте он стал профессиональным искателем окаменелостей. Свои находки он отсылал в университеты, как когда-то Альфред Рассел Уоллес биологические образцы. В возрасте 26 лет Уолкотт был принят на работу в качестве помощника главного геолога штата Нью-Йорк Джеймса Холла, известного как своей деспотичностью, так и широчайшими познаниями в области палеонтологии.
Холл показал Уолкотту одно из своих самых интересных открытий – необычный риф в речном русле вблизи города Саратога. Известковый риф был украшен метровыми полосами круглых отпечатков. Холл был уверен, что рисунок имеет биологическое происхождение и представляет собой отпечаток колоний миллионов микроскопических водорослей. Он назвал этих гипотетических микробов Cryptozoon («скрытой жизнью»). Проблема заключалась в том, что самих окаменелостей не существовало. Даже в XXI в. идентификация окаменелостей микроскопического размера является чрезвычайно сложной задачей. Микробные клетки по форме и размеру очень похожи на самые разные частицы небиологического происхождения. У них нет скелета, поэтому они не окаменевают. Ученые часто спорят, какой тип среды и какое соотношение изотопов углерода или серы могли бы указывать на биологическое происхождение таких образцов. Для того чтобы констатировать биологическую природу образцов, современные микропалеонтологи используют сложное оборудование, которого не было у Уолкотта и его современников. Почти никто не верил, что Cryptozoon когда-то были живыми существами. Уолкотту были нужны более убедительные микроскопические доказательства. Через три года Уолкотта по рекомендации Холла приняли на работу в только что организованную Геологическую службу США. Вскоре его направили на запад для изучения одного из величайших природных чудес Северной Америки – Большого каньона, о котором тогда почти ничего не было известно.
Большой каньон оказался раем для палеонтологов. На протяжении 17 млн лет река Колорадо прокладывала себе путь в твердой каменистой почве, прорезав великое ущелье длиной более 450 км и глубиной более километра. Это второе по глубине ущелье после Кали-Гандаки в Непале, однако обнаженность скал Большого каньона объясняет его ни с чем не сравнимый потенциал для палеонтологических исследований. Рисунок геологических слоев каньона не спрятан под богатой растительностью, как в Кали-Гандаки или даже в предгорьях Англии и Шотландии, где на протяжении столетия вели поиски самые знаменитые охотники за окаменелостями. Поверхность скал Большого каньона напоминает чистую и слоистую стену канала, уходящего на километр вглубь земли и на два миллиарда лет назад во времени.
Руководитель экспедиции Джон Уэсли Пауэлл понимал палеонтологический потенциал Большого каньона. Он дал Уолкотту такую работу, с которой тот справлялся лучше всего, – поиск окаменелостей. Вскоре Уолкотт обнаружил признаки древней жизни, напоминавшие Cryptozoon Холла. Более того, он нашел их в тех слоях, которые с наибольшей вероятностью относились к докембрийской эпохе. В 1891 г. Уолкотт писал, что у него «практически нет сомнений», что жизнь существовала еще в докембрийских морях, но только в 1899 г. он нашел окончательные доказательства, за которыми он охотился. Через 20 лет после того, как Уолкотт впервые увидел Cryptozoon, в Большом каньоне он обнаружил окаменевшие остатки микроскопических одноклеточных водорослей, которых назвал Chuaria – от названия геологического пласта, в котором они были найдены. Происхождение этих клеток долго оставалось предметом споров, но теперь считается, что их возраст составляет около 1,6 млрд лет. Уолкотт наконец нашел недостающее звено в теории Дарвина. Позднее были найдены еще более древние окаменелости, и ученые пришли к выводу, что простейшие формы жизни появились не менее 3,5 млрд лет назад, то есть через миллиард лет после образования Земли.
